JP2005289604A - エレベータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
エレベータの非常止め装置の動作試験のように、ほぼ停止状態の電動機に高トルクを必要とする場合においても、一部の半導体素子に負担が集中することを回避できるエレベータ装置を提供することである。
【解決手段】
電力変換器自体を、出力相１相あたりに２個のスイッチング素子を有するインバータから、出力相１相あたりに３個以上のスイッチング素子を使用し、三相交流入力から三相交流出力に直接変換する方式の電力変換器に変更し、かつ、非常止め装置の動作試験中すなわち電動機が拘束された状態から極低速で動く期間において、同一の出力相を構成する半導体素子に流れる電流の実効値がほぼ等しく分散するように、半導体素子の導通状態を制御する。
本発明によると、エレベータの非常止め装置の動作試験時に一部の半導体素子に負担が集中することを回避できるため、耐量の小さい半導体素子で電力変換器を構成できる効果がある。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換器により電動機を制御する機構を有するエレベータ装置に関わり、特に、特定の出力相に集中して比較的大きな出力電流が流れる非常止め装置の動作試験時に、一部の半導体素子に負担を集中させないように電力変換器を駆動するエレベータ装置に関するものである。

エレベータ装置では、かごの速度が異常に増大し、ある速度を超えた場合に、かごを停止させる非常止め装置が設けられている。非常止め装置は定期的に動作試験を実施する必要があり、試験時には、ほぼ停止状態の電動機に高トルクを出力させる運転を行う。この場合には、電力変換器の特定の出力相に比較的大きな電流を流す必要があり、一部の半導体素子に負担が集中する。このため、従来のエレベータ装置では、動作試験時の電流を考慮し、耐量の大きい半導体素子を使用している。これを解決するために、従来技術１の特開平５−２９４５７５号公報に記載されたエレベータの制御装置では、検査時の励磁電流値とトルク電流値の配分を変更し、出力電流の増加を極力抑制させている。

特開平５−２９４５７５号公報

しかしながら、従来技術１の方法は、電力変換器が駆動する電動機が誘導電動機の場合を対象としたものであり、同期電動機の場合には、全く機能しない。つまり、同期機においては励磁電流値を変化させても出力トルクはほとんど変動しないため、結局、比較的大きな電流を流す必要がある。この場合には、従来変換器と同様に一部の半導体素子に負担が集中する。

本発明の目的は、エレベータの非常止め装置の動作試験のように、ほぼ停止状態の電動機に高トルクを必要とする場合においても、一部の半導体素子に負担が集中することを回避できるエレベータ装置を提供することである。

上記の課題を解決する手段として、電力変換器自体を、出力相１相あたりに２個のスイッチング素子を有するインバータから、出力相１相あたりに３個以上のスイッチング素子を使用し、三相交流入力から三相交流出力に直接変換する方式の電力変換器に変更し、かつ、非常止め装置の動作試験中すなわち電動機が拘束された状態から極低速で動く期間において、同一の出力相を構成する半導体素子に流れる電流の実効値がほぼ等しく分散するように、半導体素子の導通状態を制御する。

本発明によると、エレベータの非常止め装置の動作試験時に一部の半導体素子に負担が集中することを回避できるため、耐量の小さい半導体素子で電力変換器を構成できる効果がある。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の第一実施例のエレベータ装置であり、商用電源１，電力変換器の主回路部２，電力変換器の制御回路部３，電動機４，エレベータかご８，つりあいおもり９，電動機４と直結したメインシーブ１０，ロープ１１より構成している。エレベータかご８は非常止め装置１２を搭載しており、ガイドレール１３に沿って昇降する。また、第一実施例は、電力変換器を三相交流入力から三相交流出力に直接変換できるマトリックスコンバータで構成しており、電力変換器の主回路部２は各出力相３個、合計９個の双方向スイッチ２１により構成している。電力変換器の制御回路部３は、入力電圧検出手段５より得られる入力電圧情報，出力電流検出手段６より得られる出力電流情報，電動機の回転速度検出手段７より得られる回転速度情報を基に、双方向スイッチ２１の駆動信号を演算する。

図２，図３は、双方向スイッチ２１の詳細図である。図２は、従来のＩＧＢＴ２１１＿ａ，２１１＿ｂとダイオード２１２＿ａ，２１２＿ｂの組み合わせにより構成しており、図３は逆阻止ＩＧＢＴ２１３＿ａ，２１３＿ｂを組み合わせることにより構成している。図２の従来のＩＧＢＴ２１１＿ａ，２１１＿ｂ、および、図３の逆阻止ＩＧＢＴ２１３＿ａ，２１３＿ｂは、共に、片方向のスイッチであるが、それぞれ２個を対向させた構成とし、方向ごとに独立に制御することによって双方向スイッチを実現している。、図２の従来のＩＧＢＴ２１１＿ａ，２１１＿ｂでは、逆方向に電圧が印加された場合に生じる破損を防止するために、ダイオード２１２＿ａ，２１２＿ｂを接続し逆耐圧を担わせている。これに対し、逆耐圧性能を有する逆阻止ＩＧＢＴ２１３＿ａ，２１３＿ｂを使用する場合は、ダイオードが不要になるため、チップ数の低減が可能になる。図２，図３より、１つの双方向スイッチ２１には、それぞれ２個ずつのスイッチング素子（従来のＩＧＢＴ211＿ａ，２１１＿ｂ、或いは、逆阻止ＩＧＢＴ２１３＿ａ，２１３＿ｂ）が含まれる。つまり、電力変換器の主回路部２には、合計１８個のスイッチング素子が含まれることになる。

エレベータ装置では、エレベータかご８の速度が異常に増大し、ある速度をを超えた場合に、かごを停止させる非常止め装置１２が通常設けられている。図４は、非常止め装置１２の詳細構造を示す図である。装置が作動した場合には、ウェッジ１４が引上げ機構により引上げられ、ウェッジ１４とガードレール１３が接触し、レールを挟み込む状態になる。この場合には、ばね１５が押し縮められ、その反力がガイドレール１３とウエッジ面に作用し、摩擦力が発生してエレベータかごを制止させる。

非常止め装置１２の動作試験は、非常止め装置１２を作動させた状態で、メインシーブ１０を駆動させ、制止状態を保つことが可能かどうかを確認する。具体的には、非常止め装置１２を作動させてエレベータかご８を固定した条件で、メインシーブ１０とロープ
１１に滑りが発生するまで電動機４を駆動させ、制止状態を維持できるか否かを確認する。

図５は、非常止め装置１２の動作試験時の電流状態の一例を示す図である。電流の周波数は電動機の回転周波数に対してほぼ線形な関係にある。このため、非常止め装置１２の動作試験時のように、エレベータかご８が固定され、電動機の回転を強制的に抑制している条件では、電流は図５ように極めて低周波数（ほぼ直流）になる。さらに、動作試験時には、電動機４は大きなトルクを出力する必要があるため、電力変換器が出力する電流は大きくなる。

図６は、従来の電力変換器を使用した場合における非常止め装置１２の動作試験時の電流状態を説明する図である。従来電力変換器としては、出力相１相あたりに２個のスイッチング素子を有するインバータが一般的に使用される。従来電力変換器では、図４のように極めて低周波数、かつ、大電流の電流ｉｕがＵ相出力に流れる場合には、Ｕ相Ｐ側スイッチング素子１６或いは、Ｕ相Ｎ側環流ダイオード１７に集中して電流が流れることになる。（特に、電動機４は回転していないため、電力変換器の出力電圧は小さくなる。このため、Ｕ相Ｎ側環流ダイオード１７が導通する割合が多くなり、電流はこちらに集中して流れることになる。）この場合には、電流が集中して流れる素子において発熱が発生し、故障、或いは、寿命の低下を引き起こす。このため、従来の電力変換器では、動作試験時の電流を考慮し、耐量の大きい半導体素子を使用する必要があった。

図７は、本発明における非常止め装置の動作試験時のスイッチングを説明する図であり、図１における電力変換器（マトリックスコンバータ）の主回路部２を抜き出したものである。マトリックスコンバータは、商用周波数を入力とし、任意の周波数の電力を出力する電力変換器である。入力側の３相の電圧をそれぞれ、ｖｒ，ｖｓ，ｖｔとすると、

（数１）
ｖｒ＝Ｖcos（２・π・ｆｃ・ｔ） …（１）

（数２）
ｖｓ＝Ｖcos（２・π・ｆｃ・ｔ−２π／３） …（２）

（数３）
ｖｔ＝Ｖcos（２・π・ｆｃ・ｔ＋２π／３） …（３）
となる。ここで、Ｖは電源の振幅値（例えば、２８２Ｖ）であり、ｆｃは、電源周波数
（例えば５０Ｈｚ）である。このときの出力電圧ｖｕは、ｖｒ，ｖｓ，ｖｔの導通時間をそれぞれｔ１，ｔ２，ｔ３とすると、

となる。ここで、Ｔｓは電力変換器のスイッチング周期（一定値）であり、

（数５）
Ｔｓ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３ …（５）
である。つまり、マトリックスコンバータでは、ｖｒ，ｖｓ，ｖｔの電圧値を組み合わせ、平均的に指令どおりの電圧値になるように電圧ｖｕを出力している。ここで、図４のように電力変換器から出力される電流が極めて低周波数（ほぼ直流）の場合には、出力電圧ｖｕも極めて低周波数（ほぼ一定値）となる。（１）式，（２）式，（３）式より、ｖｒ，ｖｓ，ｖｔは、位相差１２０°の周期関数（周期＝１／電源周波数）であるため、導通時間ｔ１，ｔ２，ｔ３の大きさも１２０°の位相差を持つ電源周波数の周期関数となる。つまり、導通時間は分散され（連続で導通した場合でも、導通時間は電源周期の１／３となる）、双方向スイッチ２１の負担も均等化することができる。このため、耐量の小さい半導体素子で電力変換器を構成することが可能になる。

また、（４）式に着目した場合、ｖｕを一定値にするためのｔ１，ｔ２，ｔ３の選択の仕方には自由度がある。つまり、電源力率が若干低下する可能性があるもののｔ１，ｔ２，ｔ３ができる限り均等になるように選択することにより、電源周期よりもはるかに短いスイッチング周期Ｔｓのレベルにおいても、双方向スイッチ２１の負担を均等化することができ、素子の小耐量化をより図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で様々変形して実施できることは言うまでもない。

本発明の第一の実施例を示す構成図である。 双方向スイッチ部分の詳細図１である。 双方向スイッチ部分の詳細図２である。 非常止め装置の構造を示す図である。 非常止め装置の動作試験時の電流状態の一例を示す図である。 従来電力変換器を使用した場合における非常止め装置の動作試験時の電流状態を説明する図である。 本発明における非常止め装置の動作試験時のスイッチングを説明する図である。

符号の説明

１…商用電源、２…電力変換器の主回路部、３…電力変換器の制御回路部、４…電動機、５…入力電圧検出手段、６…出力電流検出手段、７…電動機の回転速度検出手段、８…エレベータかご、９…つりあいおもり、１０…メインシーブ、１１…ロープ、１２…非常止め装置、１３…ガイドレール、１４…ウェッジ、１５…ばね、１６…従来変換器のＵ相Ｐ側スイッチング素子、１７…従来変換器のＵ相Ｎ側環流ダイオード、２１…双方向スイッチ、２１１＿ａ,２１１＿ｂ…ＩＧＢＴ、２１２＿ａ,２１２＿ｂ…ダイオード、２１３＿ａ，２１３＿ｂ…逆阻止ＩＧＢＴ。

Claims (6)

1. 少なくとも、エレベータを駆動する電動機と前記電動機を制御する電力変換器とエレベータかごからなるエレベータ装置において、
   一定周波数の三相交流から任意周波数の三相交流に直接変換する電力変換器を使用し、前記電動機が停止した状態から極低速で動かす領域では、同一の出力相を構成する各双方向デバイスに流れる電流の実効値がほぼ等しくなるように導通状態を制御することを特徴とするエレベータ装置。
2. 少なくとも、エレベータを駆動する電動機と前記電動機を制御する電力変換器とエレベータかごからなり、前記エレベータかごには、速度が異常に増大し、ある速度を超えた場合に、前記エレベータかごを停止させる非常止め装置を備えた構成のエレベータ装置において、
   三相から三相に直接変換する電力変換器を使用し、前記非常止め装置の動作試験中では、同一の出力相を構成する各双方向デバイスに流れる電流の実効値がほぼ等しくなるように導通状態を制御することを特徴とするエレベータ装置。
3. 少なくとも、エレベータを駆動する電動機と前記電動機を制御する電力変換器とエレベータかごからなり、前記エレベータかごには、速度が異常に増大し、ある速度を超えた場合に、前記エレベータかごを停止させる非常止め装置を備えた構成のエレベータ装置において、
   三相から三相に直接変換する電力変換器を使用し、前記非常止め装置の動作試験中の前記電動機が間接的に拘束された状態から極低速で動かす領域では、同一の出力相を構成する双方向デバイスの導通時間がほぼ等しくなるように分散してスイッチングさせることを特徴とするエレベータ装置。
4. 請求項３で記載したエレベータ装置において、
   特に、電源周波数の幅で見た場合に双方向デバイスの導通時間がほぼ等しくなることを特徴とするエレベータ装置。
5. 請求項３で記載したエレベータ装置において、
   特に、電力変換器のスイッチング周期の幅で見た場合に双方向デバイスの導通時間がほぼ等しくなることを特徴とするエレベータ装置。
6. 請求項１から請求項５で記載したエレベータ装置において、
   電力変換器はマトリックスコンバータであることを特徴とするエレベータ装置。

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