JP4864620B2

JP4864620B2 - 三相負荷運転装置

Info

Publication number: JP4864620B2
Application number: JP2006260274A
Authority: JP
Inventors: 一宏大津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2008081215A

Description

この発明は、三相交流電源の異常時に直流電源で三相負荷を運転する三相負荷運転装置に関するものである。

従来装置では、三相交流電源の異常時にも巻上機のモータを運転できるように、電源が三相交流電源から電池に切替可能にされている。そして、三相交流電源の異常が検出された場合、電源が電池に切り替えた際のモータへのインパルス的な入力によって、かごが振動することを防ぐために、マトリックスコンバータの停止処理が行われるとともにかごの昇降が停止された後に、電池に切り替えられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１７５５４８号公報

上記のような従来装置では、三相交流電源及び電池のいずれか一方を接続し、他方を切り離す回路になっているので、モータへのインパルス的な入力によってかごが振動することを防ぐために、マトリックスコンバータの停止処理及びかごの停止を行う必要があり、瞬停が頻発するとその都度かごの運転が停止されてしまうという問題がある。
また、上記従来装置では、停電が発生してかごを減速されている途中で三相交流電源が復帰した場合に交流運転を再開することで、かごの停止を免れる動作も紹介されているが、復帰直後に急に三相交流電源に切り替えると、モータに過電流が流れ、かごに振動を与える虞もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電源切替時の運転移行をよりスムーズに行うことができる三相負荷運転装置を提供することである。

この発明に係る三相負荷運転装置は、三相負荷の運転を制御する運転制御手段と、三相交流電源の各相が接続される三相接続部、該三相接続部の各相と三相負荷の各相との間に接続される複数の双方向スイッチを含む変換スイッチ部、及び三相交流電源からの入力に基づいて、該三相交流電源の各線間電圧を母線電圧として扱うために閉成する変換スイッチ部の母線電圧相を決定するとともに、運転制御手段からの運転指令に基づいて、該母線電圧としての線間電圧を所定の周波数・大きさの交流電圧に変換するために閉成する電圧変換相を該母線電圧相から決定し、該電圧変換相の双方向スイッチを閉成させることで、該変換後の交流電圧を三相負荷に供給する変換制御部を有するマトリックスコンバータと、三相交流電源の異常時に三相負荷を駆動するための電源であり、三相交流電源が正常であるときの全波整流の線間電圧最大値の１／２以下の電圧の直流電源、直流電源の陽極と陰極とを三相接続部の各相に接続する複数の双方向スイッチを含む直流側接続スイッチ部、及び変換制御部によって決定された母線電圧相に対応する直流側接続スイッチ部の双方向スイッチを閉成させる直流側スイッチ制御部を有する補助電力供給手段とを備え、変換制御部は、三相交流電源の異常時に変換スイッチ部の閉成制御を継続して行うことで、直流電源の直流電圧を該所定の周波数・大きさの交流電圧に変換し三相負荷に供給する。

この発明の三相負荷運転装置によれば、三相接続部の各相には、三相交流電源の異常時に三相負荷を駆動するための電源であり、三相交流電源が正常であるときの全波整流の線間電圧最大値の１／２以下の電圧の直流電源が直流側接続スイッチ部の各双方向スイッチによって接続され、直流側スイッチ制御部は、変換制御部によって決定された母線電圧相に対応する直流側接続スイッチ部のスイッチを閉成させるので、変換制御部が、三相交流電源の異常時に変換スイッチの閉成制御を継続して行うことで、そのまま直流電源の直流電圧を所定の周波数・大きさの交流電圧に変換し三相負荷に供給することができ、電源切替時の運転移行をよりスムーズに行うことができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるエレベータ装置を示す構成図である。図において、昇降路１の上部には、巻上機２が配置されている。巻上機２には、綱車２ａと、綱車２ａを回転させる三相負荷であるモータ２ｂと、綱車２ａを制動及び制御保持するブレーキ（図示せず）とが含まれている。綱車２ａには、複数本の主ロープ３が巻き掛けられている。昇降路１内には、かご４と釣合重り５とが主ロープ３によって吊り下げられている。即ち、かご４と釣合重り５とは、モータ２ｂの駆動力によって昇降される。

モータ２ｂには、マトリックスコンバータ６及び交流電源接続制御手段７を介して三相交流電源８が接続されている。マトリックスコンバータ６には、エレベータ制御手段（エレベータ制御盤）１０、電圧検出センサ１１、及び補助電力供給手段１２が接続されている。

交流電源接続制御手段７は、マトリックスコンバータ６に対する三相交流電源８の各相の接続を制御するものである。交流電源接続制御手段７については、後に詳しく説明する。エレベータ制御手段１０は、モータ２ｂの運転を示す運転指令をマトリックスコンバータ６に入力する。電圧検出センサ１１は、マトリックスコンバータ６に印加される電圧を検出する。マトリックスコンバータ６は、エレベータ制御手段１０からの運転指令と電圧検出センサ１１の出力とに基づいて、三相交流電源８の交流電力を所定周波数の交流電力に変換した上でモータ２ｂに供給する。つまり、エレベータ制御手段１０は、モータ２ｂへの電力供給を制御することで、かご４の運転を制御している。かご４は、エレベータ制御手段１０の制御によって各乗場階１３に配車される。補助電力供給手段１２は、三相交流電源８の異常時にマトリックスコンバータ６に対して電力を供給するものである。

ここで、マトリックスコンバータ６について詳しく説明する。図２は、図１のモータ２ｂと、マトリックスコンバータ６と、三相交流電源８との関係を示す回路図であり、補助電力供給手段１２等を省略している回路図である。図３は、図２のマトリックスコンバータ６の双方向スイッチ１６を示す回路図である。図４は、図２の三相交流電源８が出力する電圧波形を示す説明図である。図２において、マトリックスコンバータ６は、三相交流電源のＲ，Ｓ，Ｔ相が接続される三相接続部１５、三相接続部１５の各相とモータ２ｂのＵ，Ｖ，Ｗ相との間に接続される９つの双方向スイッチ１６を含む変換スイッチ部１７、及び双方向スイッチ１６の開閉制御を行う変換制御部１８を有している。双方向スイッチ１６は、図３に示すように２つの逆阻止ＩＧＢＴ１６ａで構成されている。即ち、双方向スイッチ１６は、順方向（三相交流電源８→モータ２ｂ）と逆方向（モータ２ｂ→三相交流電源８）とで個々に閉成制御可能なスイッチである。

マトリックスコンバータ６は、双方向スイッチ１６の開閉制御を工夫して行うことで、入力される線間電圧を従来のインバータにおける母線電圧として扱い、ＡＣ−ＡＣ変換で任意の周波数・大きさの交流電圧を出力するものである。具体的には、図４に示すように、三相交流電源８が出力する各線間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＴＲ，Ｖ_ＳＴは、各相電圧ｅ_Ｒ，ｅ_Ｔ，ｅ_Ｓと同様に位相差を有している。図４に示す期間Ａでは、Ｒ相の相電圧の絶対値が他の相電圧に比べて一番大きい。この区間ではＲ相とＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６を常に閉成し、残りのＳ相、Ｔ相のどちらかとＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６を閉成することで、線間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＲＴのいずれか一方を母線電圧として扱うことができる。なお、線間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＲＴのどちらを母線電圧として扱うかは、入力電流が正弦波となるように適宜選択される。次に、期間Ｂでは、Ｓ相の相電圧の絶対値が他の相電圧に比べて一番大きいため、Ｓ相とＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６を常に閉成し、残りのＲ相、Ｔ相のどちらかとＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６を閉成する。他の期間でもこれと同様の双方向スイッチ１６の閉成制御を行う。なお、図４に示すように、この制御で得られる母線電圧Ｖ_ＤＣの最小値、即ちＶ_ＤＣ（ＭＩＮ）は、各線間電圧Ｖ_ＲＳ，Ｖ_ＴＲ，Ｖ_ＳＴの最大値を絶対値化した値の１／２倍である。母線電圧から任意の周波数・大きさの電圧を出力する方法は、従来のインバータと同様である。

変換制御部１８は、電圧検出センサ１１の出力に基づいて各線間電圧を監視する。また、変換制御部１８は、各線間電圧に基づいて、該線間電圧を母線電圧として扱うために閉成する変換スイッチ部１７の母線電圧相を決定する。即ち、変換制御部１８は、三相交流電源８からの入力に基づいて母線電圧相を決定する。さらに、変換制御部１８は、エレベータ制御手段１０からの運転指令に基づいて、母線電圧から任意の周波数・大きさの電圧を出力するために閉成する電圧変換相を母線電圧相から決定する。そして、変換制御部１８は、電圧変換相の双方向スイッチ１６を閉成させることで、所定の周波数・大きさの交流電圧をモータ２ｂに供給する。なお、変換制御部１８は、回生運転時にも同様の閉成制御を行う。

次に、図５は、図１の交流電源接続制御手段７及び補助電力供給手段１２を詳細に示す回路図である。図において、補助電力供給手段１２には、直流電源２０と、直流側接続スイッチ部２１と、直流側スイッチ制御部２２とが設けられている。直流電源２０としては、三相交流電源８が正常であるときの全波整流の（絶対値化した）線間電圧最大値の１／２以下の電圧のものを用いる。なお、直流電源２０は、三相交流電源８の異常時にモータ２ｂを駆動するための電源である。即ち、直流電源２０の電圧の下限は、モータ２ｂを駆動できる程度の電圧である。直流側接続スイッチ部２１は、直流電源２０の陽極と陰極とを三相接続部１５の各相に接続する６つの双方向スイッチ２３を含んでいる。直流側スイッチ制御部２２は、変換制御部１８によって決定された母線電圧相に対応する双方向スイッチ２３を閉成させる。つまり、直流側スイッチ制御部２２は、変換制御部１８による双方向スイッチ１６の閉成制御に連動して、マトリックスコンバータ６の入力相に直流電源２０の電圧を印加する。

ここで、三相交流電源８が正常であれば、マトリックスコンバータ６の入力相には、全波整流の線間電圧最大値の１／２以上の電圧が母線電圧として印加される。直流電源２０の電圧は、三相交流電源８から供給される電圧よりも低いので、三相交流電源８が正常であれば、マトリックスコンバータ６の入力相に印加されない。つまり、直流電源２０の電圧は、三相交流電源８に異常が発生し、線間電圧が直流電源２０の電圧よりも低くなった場合にマトリックスコンバータ６の入力相に印加される。

変換制御部１８は、三相交流電源８の正常時に、双方向スイッチ１６の閉成パターンを記憶する。また、変換制御部１８は、三相交流電源８の異常時に、記憶している閉成パターンに基づいて双方向スイッチ１６を閉成することで、該双方向スイッチ１６の閉成制御を継続して行う。つまり、変換制御部１８は、三相交流電源８の異常時に、直流電源２０の電圧を所定の周波数・大きさの交流電圧に変換してモータ２ｂに供給する。従って、三相交流電源８の異常時には、モータ２ｂの運転が交流運転から直流運転に自然に切り替えられる。

また、変換制御部１８は、三相交流電源８が復帰した場合、該三相交流電源８の線間電圧に基づいて双方向スイッチ１６の閉成制御を行う。三相交流電源８に異常による停電が発生したとしても、その停電時間が短時間であれば、停電前の交流電圧と復帰後の交流電圧との間の位相差は実質的に無いと考えられる。従って、三相交流電源８の復帰時にも、モータ２ｂの運転が直流運転から交流運転に自然に切り替えられる。

また、直流側スイッチ制御部２２は、変換制御部１８からの信号に基づいて、双方向スイッチ１６の閉成方向に対応するように、双方向スイッチ２３の閉成方向も決定する。例えば、変換制御部１８が、Ｒ相とＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６の順方向を閉成するとともに、Ｓ相とＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６の逆方向を閉成する場合、直流側スイッチ制御部２２は、直流電源２０の陽極とＲ相との間の双方向スイッチ２３の順方向（直流電源２０→マトリックスコンバータ６）を閉成するとともに、直流電源２０の陰極とＲ相との間の双方向スイッチ２３の逆方向（マトリックスコンバータ６→直流電源２０）を閉成する。これによって、直流側スイッチ制御部２２は、三相交流電源８の正常時に三相交流電源８の電圧が直流電源２０に印加されることを防ぎつつ、三相交流電源８の異常時に直流電源２０の電圧をマトリックスコンバータ６に印加可能とする。また、回生運転時に、マトリックスコンバータ６からの回生電圧を直流電源２０に印加可能とする。

交流電源接続制御手段７には、交流側接続スイッチ部２５と交流側スイッチ制御部２６とが設けられている。交流側接続スイッチ部２５は、三相交流電源８の各相と三相接続部１５の各相との間に接続された３つの双方向スイッチ２７を含む。交流側スイッチ制御部２６は、変換制御部１８によって決定された母線電圧相に対応する双方向スイッチ２７を閉成させる。

具体的には、交流側スイッチ制御部２６は、変換制御部１８からの信号に基づいて、双方向スイッチ１６の閉成方向に対応するように、双方向スイッチ２７の閉成方向も決定する。例えば、変換制御部１８が、Ｒ相とＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６の順方向を閉成するとともに、Ｓ相とＵ，Ｖ，Ｗ相との間の双方向スイッチ１６の逆方向を閉成する場合、交流側スイッチ制御部２６は、Ｒ相とマトリックスコンバータ６との間の双方向スイッチ２７の順方向（三相交流電源８→マトリックスコンバータ６）を閉成するとともに、Ｓ相とマトリックスコンバータ６との間の双方向スイッチ２７の逆方向（マトリックスコンバータ６→三相交流電源８）を閉成する。これによって、三相交流電源８の正常時に三相交流電源８の電圧をマトリックスコンバータ６に印加可能としつつ、三相交流電源８の異常時に直流電源２０の電圧が三相交流電源８に印加されることを防ぐ。また、回生運転時に、マトリックスコンバータ６からの回生電圧を三相交流電源８に印加可能とする。

なお、各双方向スイッチ１６，２３，２７は、２つの逆阻止ＩＧＢＴ１６ａで構成されるスイッチであると説明したが、図６に示すように、２つの通常のＩＧＢＴ３０と２つのダイオード３１とで構成されるスイッチを用いることもできる。

エレベータ制御手段１０は、電圧検出センサ１１の出力に基づいて、マトリックスコンバータ６に印加されている電圧が直流であるか交流であるかを判定することで、モータ２ｂの運転が直流運転であるか交流運転であるかを判定する。また、エレベータ制御手段１０は、直流運転であると判定した場合に、直流運転の継続時間をカウントすることで、直流電源２０の残容量が所定値未満であるか否かを判定する。さらに、エレベータ制御手段１０は、直流電源２０の残容量が所定値未満であると判定した場合、かご４を最寄り階に着床させるとともに、三相交流電源８が復帰するまで運転を停止させる運転停止指令を変換制御部１８に入力する。なお、この実施の形態１では、三相負荷運転装置は、運転制御手段（エレベータ制御手段１０）と、マトリックスコンバータ６と、補助電力供給手段１２と、交流電源接続制御手段７とを有している。

このような三相負荷運転装置では、三相接続部１５の各相に、三相交流電源８の異常時にモータ２ｂを駆動するための電源であり、三相交流電源８が正常であるときの全波整流の線間電圧最大値の１／２以下の電圧の直流電源２０が直流側接続スイッチ部２１の各双方向スイッチ２３によって接続され、直流側スイッチ制御部２２は、変換制御部１８によって決定された母線電圧相に対応する直流側接続スイッチ部２１の双方向スイッチ２３を閉成させるので、変換制御部１８が、三相交流電源８の異常時に変換スイッチ部１７の閉成制御を継続して行うことで、そのまま直流電源２０の直流電圧を所定の周波数・大きさの交流電圧に変換し三相負荷に供給することができ、電源切替時の運転移行をよりスムーズに行うことができる。特に、瞬停が頻発したとしても、その都度かご４の運転を停止する必要が無くなり、エレベータの運転効率を向上させることができる。
また、三相交流電源８の正常時に三相交流電源８の電圧が直流電源２０に印加されることを防ぎつつ、三相交流電源８の異常時に直流電源２０の電圧をマトリックスコンバータ６に印加可能とすることができ、動作の信頼性を向上させることができる。
さらに、回生運転時に、マトリックスコンバータ６からの回生電圧を直流電源２０に印加可能とすることができるので、直流電源２０の充電回路等を別に設ける必要を無くすことができる。

また、交流側スイッチ制御部２６は、変換制御部１８によって決定された母線電圧相に対応する交流側接続スイッチ部２５の双方向スイッチ２７を閉成させるので、三相交流電源８の正常時に三相交流電源８の電圧をマトリックスコンバータ６に印加可能としつつ、三相交流電源８の異常時に直流電源２０の電圧が三相交流電源８に印加されることを防ぐことができ、動作の信頼性を向上させることができる。

さらに、各双方向スイッチ１６，２３，２７は、２つの逆阻止ＩＧＢＴで構成されているので、通常のＩＧＢＴで構成される双方向スイッチに比べてダイオード等の素子を減らすことができ、電力使用効率を向上させることができる。

さらにまた、エレベータ制御手段１０は、電圧検出センサ１１の出力に基づいて、モータ２ｂの運転が直流運転であるか交流運転であるかを判定し、直流運転であると判定した場合に直流電源２０の残容量が所定値未満であるか否かを判定し、直流電源２０の残容量が所定値未満であると判定した場合、かご４を最寄り階に着床させるとともに、三相交流電源８が復帰するまで運転を停止させる運転停止指令を変換制御部１８に入力するので、停電状態が長時間継続することで直流電源２０の残容量が無くなってしまい、例えば階間等に位置しているときにかご４を昇降させることが不可能になる虞を低減させることができ、運転の信頼性を向上させることができる。

なお、実施の形態１では、直流運転の継続時間に基づいて、直流電源２０の残容量が所定値未満であるか否かを判定すると説明したが、マトリックスコンバータ６に印加される電圧が所定値未満であるか否かに基づいて該判定を行ってもよい。

また、実施の形態１では、マトリックスコンバータ６に印加されている電圧に基づいて、モータ２ｂの運転が直流運転であるか交流運転であるかを判定するように説明したが、電圧検出センサ１１の代わりに電流検出センサを設け、マトリックスコンバータに流入する電流に基づいて該判定を行ってもよい。

さらにまた、実施の形態１では、三相負荷運転装置は、巻上機２のモータ２ｂの運転を制御するものと説明したが、適用対象はエレベータに限定されず、交流電源の異常時に直流電源で三相負荷を運転するものであれば適用可能である。

この発明の実施の形態１によるエレベータ装置を示す構成図である。図１のモータと、マトリックスコンバータと、三相交流電源との関係を示す回路図である。図２のマトリックスコンバータの双方向スイッチを示す回路図である。図２の三相交流電源が出力する電圧波形を示す説明図である。図１の交流電源接続制御手段及び補助電力供給手段を詳細に示す回路図である。図３のスイッチの変形例を示す回路図である。

符号の説明

２ｂモータ（三相負荷）、４かご、６マトリックスコンバータ、７交流電源接続制御手段、８三相交流電源、１０エレベータ制御手段（運転制御手段）、１１電圧検出センサ、１２補助電力供給手段、１５三相接続部、１６，２３，２７双方向スイッチ、１６ａ逆素子ＩＧＢＴ、１７変換スイッチ部、１８変換制御部、２０直流電源、２１直流側接続スイッチ部、２２直流側スイッチ制御部、２５交流側接続スイッチ部、２６交流側スイッチ制御部。

Claims

三相負荷の運転を制御する運転制御手段と、
三相交流電源の各相が接続される三相接続部、該三相接続部の各相と上記三相負荷の各相との間に接続される複数の双方向スイッチを含む変換スイッチ部、及び上記三相交流電源からの入力に基づいて、該三相交流電源の各線間電圧を母線電圧として扱うために閉成する上記変換スイッチ部の母線電圧相を決定するとともに、上記運転制御手段からの運転指令に基づいて、該母線電圧としての線間電圧を所定の周波数・大きさの交流電圧に変換するために閉成する電圧変換相を該母線電圧相から決定し、該電圧変換相の上記双方向スイッチを閉成させることで、該変換後の交流電圧を上記三相負荷に供給する変換制御部を有するマトリックスコンバータと、
上記三相交流電源の異常時に上記三相負荷を駆動するための電源であり、上記三相交流電源が正常であるときの全波整流の線間電圧最大値の１／２以下の電圧の直流電源、上記直流電源の陽極と陰極とを上記三相接続部の各相に接続する複数の双方向スイッチを含む直流側接続スイッチ部、及び上記変換制御部によって決定された上記母線電圧相に対応する上記直流側接続スイッチ部の上記双方向スイッチを閉成させる直流側スイッチ制御部を有する補助電力供給手段と
を備え、
上記変換制御部は、上記三相交流電源の異常時に上記変換スイッチ部の閉成制御を継続して行うことで、上記直流電源の直流電圧を該所定の周波数・大きさの交流電圧に変換し上記三相負荷に供給することを特徴とする三相負荷運転装置。
上記三相交流電源の各相と上記三相接続部の各相との間に接続された複数の双方向スイッチを含む交流側接続スイッチ部、及び上記変換制御部によって決定された上記母線電圧相に対応する上記交流側接続スイッチ部の上記双方向スイッチを閉成させる交流側スイッチ制御部を有する交流電源接続制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の三相負荷運転装置。
上記双方向スイッチには、逆阻止ＩＧＢＴが用いられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三相負荷運転装置。
上記三相負荷はエレベータのかごを昇降させる駆動力を発するモータであり、エレベータの運転制御に適用されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の三相負荷運転装置。
上記運転制御手段は、上記マトリックスコンバータに入力される電力を検出するセンサの出力に基づいて、上記三相負荷の運転が上記直流電源の電力による直流運転であるか否かを判定するとともに、該直流運転であると判定した場合に上記直流電源の残容量が所定値未満であるか否かを判定し、上記直流電源の残容量が所定値未満であると判定した場合、上記かごを最寄り階に着床させるとともに、上記三相交流電源が復帰するまで運転を停止させる運転停止指令を上記変換制御部に入力することを特徴とする請求項４記載の三相負荷運転装置。