JP4964903B2 - エレベータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、駆動機器の能力を有効利用することにより、かごを高効率で運転するエレベータ装置に関するものである。

従来のエレベータ制御装置では、かごの積載量に応じて、モータ及びそれを駆動する電気機器の駆動範囲内で、かごの一定速走行時の速度及び加減速走行時の加減速度が変化される。これにより、モータの余力が活用され、かごの運行効率が向上される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２３８０３７号公報

上記のような従来のエレベータ制御装置では、モータから発生される回生電力の処理についても考慮されなければならないが、どのように処理するかは明確ではなかった。このため、回生電圧が電圧の制限値を超えてしまい、期待する減速度が得られず、かごが停止位置を行き過ぎてしまう恐れがあった。

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、かごを高効率で運転しつつ、回生電力を適切に消費することができるエレベータ装置を得ることを目的とする。

この発明によるエレベータ装置は、駆動シーブと、駆動シーブを回転させるモータとを有する巻上機、駆動シーブに巻き掛けられている懸架手段、懸架手段により懸架され、巻上機により昇降されるかご、モータに供給する電力を制御する電力変換装置、及び電力変換装置を制御する制御装置を備え、制御装置は、かごの走行時に、巻上機の回生運転時における回生電圧の最大値を推定し、推定される回生電圧の最大値が所定の電圧制限値に達すると、推定される回生電圧の最大値の増加を止めるように電力変換装置を制御する。

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のエレベータ装置における速度指令値、加速度、モータ線間電圧、回生電圧推定値及び加速停止指令の時間変化の一例を示すグラフである。

以下、この発明の好適な実施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。かご１及び釣合おもり２は、巻上機３により昇降路内を昇降される。巻上機３は、モータ４、モータ４により回転される駆動シーブ５、及び駆動シーブ５の回転を制動するブレーキ（図示せず）を有している。

モータ４には、モータ４の回転速度と磁極位置とを検出するための速度検出器６が設けられている。速度検出器６としては、例えばエンコーダ又はレゾルバ等が用いられている。

駆動シーブ５には、かご１及び釣合おもり２を吊り下げる懸架手段としての複数本（図では１本のみ示す）の主索７が巻き掛けられている。主索７としては、例えば通常のロープ、又はベルト状のロープ等を用いることができる。

モータ４には、電力変換装置８を介して電源からの電力が供給される。電力変換装置８としては、例えば、交流電圧の基本周波数内に複数の直流電圧のパルスを発生させることにより出力電圧を調整するＰＭＷ制御のインバータが用いられている。このようなインバータでは、電圧のスイッチングデューティ比を調整することにより、モータ４に対する出力電圧が変化される。

また、電力変換装置８と電源との間には、遮断機（図示せず）が設けられている。電力変換装置８への過電流は、遮断機により防止されている。電力変換装置８からモータ４に供給される電流の値は、電流検出器（ＣＴ）９によりモータ電流値として検出される。

回生抵抗１０は、巻上機３の回生運転時にモータ４が発生する電力を熱として消費する。この場合、モータ４にかかる線間電圧は、回生抵抗１０の容量により制限される。これに対して、回生抵抗１０を持たないエレベータ装置では、マトリクスコンバータや簡易回生により、モータ４で発電された電力を制御して電源に返す。この場合、モータ４にかかる線間電圧は電源電圧により制限される。

電力変換装置８は、制御装置１１によって制御される。制御装置１１は、駆動系の機器の許容範囲内で、かご１の最高速度や加速度をできるだけ上げ、かご１の走行時間を短縮するように速度指令を生成する。また、制御装置１１は、管理制御部１２、速度指令発生部１３、移動制御部１４及び速度制限部１５を有している。管理制御部１２は、かご操作盤１６及び乗場操作盤１７からの情報に基づいて、エレベータ装置の運転に関する運行管理情報（例えば、かご１の行先階や走行指令の情報等）を作成する。

速度指令発生部１３は、管理制御部１２からの運行管理情報に基づいて、かご１に対する速度指令、即ち巻上機３に対する速度指令を生成し、これを移動制御部１４及び速度制限部１５に出力する。また、速度指令発生部１３は、一定加速中の各時刻において、加速度を減少させ始め、行先階に停止するまでの仮想的な速度パターンを計算によって求め、この速度パターンにおいて、現在時刻から一定減速開始時までに走行する一定加減速間移動距離を計算し、これを速度制限部１５に出力する。

移動制御部１４は、速度指令発生部１３からの速度指令に基づいて、かご１の移動を制御する。かご１の移動は、移動制御部１４の電力変換装置８に対する制御により行われる。また、移動制御部１４は、速度制御器１８及び電流制御器１９を有している。

速度制御器１８は、速度指令発生部１３からの速度指令と、速度検出器６からの回転速度の情報との差を速度偏差情報として求め、求めた速度偏差情報を電流制御器１９へ出力する。電流制御器１９は、速度制御器１８からの速度偏差情報に基づいて、モータ電流目標値を求め、電流検出器９により検出されるモータ電流値がモータ電流目標値に一致するように電力変換装置８を制御する。

制御指令には、モータ４に供給するモータ電流を調整するためのモータ電流指令、モータ４に回転トルクを発生させるトルク電流を調整するためのトルク電流指令、及びモータ４に与える電圧を調整するための電圧指令が含まれている。また、電圧指令には、モータ４に対する電圧のスイッチングデューティ比の情報が含まれている。

また、電流制御器１９は、電流検出器９により検出されたモータ電流のうち、モータ４に回転トルクを発生させる成分をトルク電流として求め、求めたトルク電流の情報を速度制限部１５に出力する。なお、モータ電流値、モータ電流指令値、トルク電流値、トルク電流指令値、電圧指令値、及びモータ４に対する電圧のスイッチングデューティ比は、巻上機３の出力に関連することから、かご１を移動させているときの巻上機３の出力に応じた駆動情報となっている。

速度制限部１５は、一定加速走行時に各時刻から加速度を減少させる走行をした場合、走行中にモータ４が発生し得る回生電圧の最大値を演算によって推定し、これが制限値に達したとき、加速停止指令を速度指令発生部１３に出力する。また、速度制限部１５は、電圧推定器２０及び加速停止指令器２１を有している。

巻上機３が回生運転をするときは、一定速走行から加速度を減少させていき、一定減速走行に移る時刻ｔ’において、回生電圧が最大となる。電圧推定器２０は、速度指令発生部１３からの速度指令及び一定加減速間移動距離と、移動制御部１４からのトルク電流指令値とから、この時刻ｔ’における電圧Ｖ_a’を推定する。また、この最大回生電圧推定値Ｖ_a’を加速停止指令器２１に出力する。

加速停止指令器２１は、電圧推定器２０からの最大回生電圧推定値Ｖ_a’と、電圧制限値とを比較し、Ｖ_a’が電圧制限値に達したとき、速度指令発生部１３に加速停止指令を出力する。速度指令発生部１３は、一定加速度で速度指令を増加させているとき、加速停止指令の情報を加速停止指令器２１から受けると、かご１の速度指令について、加速ジャーク時間ｔ_aの間に加速度を０まで減少させ、一定速走行に移る。即ち、速度指令発生部１３は、モータ４にかかる線間電圧推定値が制限値よりも低いときに、一定加速の停止を解除させた速度指令を求める。これにより、モータ４にかかる線間電圧が制限値よりも高くなることが防止される。

ここで、制御装置１１は、演算処理部（ＣＰＵ等）、記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードディスク等）及び信号入出力部を持ったコンピュータを有している。即ち、制御装置１１の機能は、コンピュータにより実現される。また、制御装置１１は、演算周期ｔ_s毎に演算処理を繰り返し実行する。

次に、動作について説明する。かご操作盤１６及び乗場操作盤１７の少なくともいずれかの操作により呼び登録が行われると、呼び登録の情報が制御装置１１に伝送される。この後、制御装置１１に起動指令が入力されると、電力変換装置８からモータ４に電力が供給されるとともに、巻上機３のブレーキが解除され、かご１の移動が開始される。この後、制御装置１１の電力変換装置８に対する制御により、かご１の速度が調整され、呼び登録が行われた行先階にかご１が移動される。

次に、制御装置１１の具体的な動作について説明する。加速停止指令器２１では、モータ４にかかる線間電圧推定値に基づいて、一定加速可能判定及び加速停止指令のいずれかの判定が行われる。また、呼び登録の情報が制御装置１１に入力されると、その情報に基づいて、管理制御部１２により運行管理情報が作成される。

この後、加速停止指令器２１の判定が一定加速可能判定であるときには、速度指令発生部１３により、管理制御部１２からの運行管理情報に基づいて、設定速度、即ち速度指令が求められる。この速度指令は、予め設定された算出式を用いて算出される。

また、加速停止指令器２１の判定が加速停止指令であるときには、管理制御部１２からの運行管理情報に基づいて、加速度を減少させる速度指令が速度指令発生部１３により算出される。このような速度指令発生部１３による速度指令の算出は、演算周期ｔ_s毎に行われる。

この後、算出された速度指令に従って、移動制御部１４により電力変換装置８が制御され、かご１の速度が制御される。

次に、回生電圧の推定方法について説明する。同期モータにおいては、回転速度及びトルクが大きい程、回生電圧が高くなる。このため、回生電圧は、一定速走行終了時（回転速度最大時）から一定減速開始（減速トルク最大時）までの間で最大となる。また、この区間では、減速度の増加により、回転速度が低下し減速トルクが増大するが、回生電圧への影響はトルクの方が大きいので、一定減速開始時に回生電圧が最大になるものとして、このときの回生電圧を減速側のモータ４の線間電圧の最大値として推定する。

ここで、以下のｄ軸及びｑ軸の回路方程式から、ｄ軸及びｑ軸の間には互いに干渉し合う速度起電力があることが分かる。

ｄ，ｑの電圧を次式のように制御して、これらを打ち消す非干渉制御を行っている。

従って、線間電圧Ｖａは、次式から得られる。
Ｖ_a ²＝Ｖ_da ²＋Ｖ_qa ²
＝（Ｖ_da’−ｗ_re・Ｌ_a・Ｉ_qa）²＋｛Ｖ_qa’＋ｗ_re（φ_fa＋Ｌ_a・ｉ_qa）｝²

ここでは、回生電圧が最大となる一定減速を開始する時刻ｔ’における電気角角速度ｗ_re’、ｄ軸電流Ｉ_d’及びｑ軸電流Ｉ_q’をそれぞれ推定し、式（１）を用いてＶ_a’を得る。ここで、Ｒ_aは抵抗値、Ｌ_aはインダクタンス、φ_faは電機子巻線鎖交磁束数の最大値である。
Ｖ_a’²＝（Ｒ_a・Ｉ_d’−Ｌ_a・Ｉ_q’ ・ｗ_re’）²
＋｛Ｒ_a・Ｉ_q’＋ｗ_re’（φ_fa＋Ｌ_a・Ｉ_d’）｝² ・・・（１）

電気角角速度ｗ_re’の推定は、現在の速度ｖ、加速度Ａ_a及び一定減速走行時の減速度Ａ_dから、式（２）によって求める。ここで、ｔ_aは加速ジャーク時間、ｔ_dは減速ジャーク時間、Ｄ_sは駆動シーブ５の直径、ｐはモータ４の極数である。
ｗ_re’ ＝｛ｖ＋（Ａ_a・ｔ_a−Ａ_d・ｔ_d）／２｝・（２／Ｄ_s）・ｐ ・・・（２）

モータ４が発生する回生電圧Ｖ_a’が制限値に達するような場合は、モータ４は高速回転を行っており、これによって生じる逆起電力を打ち消すため、大きなｄ軸電流が流れている。ここでは、ｄ軸電流は制限値いっぱいまで流れているものとして、時刻ｔ’におけるｄ軸電流の推定値Ｉ_d’は、式（３）のように決定する。但し、Ｉ_dmaxはｄ軸電流の最大値である。
Ｉ_d’＝Ｉ_dmax ・・・（３）

ｑ軸電流は、モータ４が発生するトルクに比例し、トルクは加速度に比例する加速トルク、負荷やロープアンバランスの状態に比例する負荷トルク、及び速度に反比例するロストルクに大別される。そこで、一定加速時の各時刻ｔから一定減速開始時刻ｔ’までの３つのトルク成分の変化を推定し、時刻ｔにおけるトルクに加えることで、ｑ軸電流を推定する。

加速トルクの変化ΔＴ_accは、時刻ｔにおける加速度Ａ_aと一定減速度Ａ_dとから式（４）により求められる。但し、加速度換算計数Ｋ₁は、ギヤ比ｋ及び慣性モーメントＧ_D2を用いて、式（５）で表される。
ΔＴ_acc＝（Ａ_a＋Ａ_d）・Ｋ₁ ・・・（４）
Ｋ₁＝Ｄ_s・ｋ・１９．６／Ｇ_D2 ・・・（５）

負荷トルクの変化ΔＴ_1dは、走行中のかご１内の負荷が一定であるとして、ロープアンバランスの変化ΔＲｕｂから推定する。まず、一定加速中の時刻ｔにおける一定加速度Ａ_a、一定減速度Ａ_d、一定加速時間ｔ₁、起動ジャーク時間ｔ_j、加速ジャーク時間ｔ_a、減速ジャーク時間ｔ_d、着床ジャーク時間ｔ_Lを用いて、式（６）から、一定減速時間ｔ₂を得る。
ｔ₂＝（Ａ_a／Ａ_d）｛ｔ₁＋（ｔ_j＋ｔ_a）／２｝−（ｔ_d＋ｔ_L）／２ ・・・（６）

速度指令発生部１３で求めた一定加減速間移動距離Ｌ_adから、時刻ｔと時刻ｔ’との間のロープアンバランス値の差Ｒｕｂ’を式（７）により計算する。但し、ロープ系の線密度をρとする。
Ｒｕｂ’＝Ｌ_ad・ρ ・・・（７）

時刻ｔ及び時刻ｔ’でのかご１の位置に対応するロープアンバランス値Ｒｕｂ、Ｒｕｂ’から、ロープアンバランスの変化を求め、これを式（８）のように負荷トルクの変化ΔＴ_1dとする。
ΔＴ_1d＝ΔＲｕｂ＝Ｒｕｂ’−Ｒｕｂ ・・・（８）

ロストルクの変化ΔＴ_lossは、時刻ｔと時刻ｔ’との間の速度差に反比例するが、この速度差は小さいので、ロストルクの変化はないものとする。
ΔＴ_loss＝０ ・・・（９）

時刻ｔ’の間のトルク電流Ｉ_q’は、式（１０）で表される。但し、トルク定数Ｋ₂は、極数ｐ及び電機子巻線鎖交磁束数の最大値φ_faを用いて、式（１１）で表される。
Ｉ_q’＝Ｉ_q＋（ΔＴ_acc＋ΔＴ_1d＋ΔＴ_loss）・Ｋ₂ ・・・（１０）
Ｋ₂＝ｐ・φ_fa ・・・（１１）

次に、モータ４が回生運転を行う場合の速度指令発生部１３からの速度指令について説明する。図２は図１のエレベータ装置における速度指令値、加速度、モータ線間電圧、回生電圧推定値及び加速停止指令の時間変化の一例を示すグラフである。

図２において、速度指令値及び加速度のグラフの点線は、エレベータ起動時に、速度指令発生部１３が管理制御部１２からの情報に基づいて計算した速度・加速度パターンであり、かご１は、最初はこのパターンに沿って走行される。しかし、かご内負荷の条件や走行条件によっては、回生電圧が極端に高くなり、一定減速開始時のモータ線間電圧が電圧制限値Ｖ_dmaxを超えてしまう（線間電圧のグラフの点線）。

これを防ぐため、一定加速度走行時において、回生電圧の最大値を推定し、これが電圧制限値Ｖ_dmaxに達した時点で、加速停止指令を速度指令発生部１３に出力する。速度指令発生部１３は、加速停止指令を受けると、加速度を減少させることにより、推定される回生電圧最大値の増加を止めるように制御する。また、加速度を減少させ始めたときの速度、加速度及び停止位置までの残距離から、新たな速度・加速度パターン（速度指令値及び加速度のグラフの実線）を生成し、移動制御部１４に出力する。

このようなエレベータ装置では、回生電圧が電圧制限値を超えないように考慮し、一定加速中に最高速度を決定するので、回生電力を適切に消費することができる。また、他の駆動系の機器の負荷が許容範囲内であれば、回生電圧が電圧制限値に達するまで、かご１の速度を一定加速度で増加させることができるので、かご１を高効率で運転することができる。

Claims (4)

1. 駆動シーブと、上記駆動シーブを回転させるモータとを有する巻上機、
   上記駆動シーブに巻き掛けられている懸架手段、
   上記懸架手段により懸架され、上記巻上機により昇降されるかご、
   上記モータに供給する電力を制御する電力変換装置、及び
   上記電力変換装置を制御する制御装置
   を備え、
   上記制御装置は、上記かごの走行時に、上記巻上機の回生運転時における回生電圧の最大値を推定し、推定される回生電圧の最大値が所定の電圧制限値に達すると、推定される回生電圧の最大値の増加を止めるように上記電力変換装置を制御するエレベータ装置。
2. 上記制御装置は、上記かごの加速度を減少させることにより、推定される回生電圧の最大値の増加を止める請求項１記載のエレベータ装置。
3. 上記モータは、ｄ軸電流とｑ軸電流とにより駆動される同期モータであり、
   上記制御装置は、上記ｄ軸電流、上記ｑ軸電流及び上記モータの角速度に基づいて、上記回生電圧の最大値を推定する請求項１記載のエレベータ装置。
4. 上記制御装置は、上記ｄ軸電流を予め定められた値とし、上記ｑ軸電流を少なくとも加速トルクに基づいて定めた値とする請求項３記載のエレベータ装置。

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