CN109104893B - 电梯的控制装置和电梯的控制方法 - Google Patents

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Abstract

具备：变流器和控制器，该控制器通过在将交流电流成分分离为有效电流和无效电流进行功率因数控制的同时执行变流器的切换，由此将与目标值对应的直流电源提供给曳引机的电机，控制器在生成无效电流指令值时，当电梯在动力运转中，将使得电梯在动力运转中相比在再生运转中难以流过无效电流的动力运转用设定值设定为阈值，由此生成无效电流指令值，并且当电梯在再生运转中，将使得电梯在再生运转中相比动力运转中容易流过无效电流的再生运转用设定值设定为阈值，由此生成无效电流指令值。

Description

电梯的控制装置和电梯的控制方法
技术领域
本发明涉及用于在频繁转换动力运转和再生运转的电梯特有的行进控制中实现控制性能的提高的电梯的控制装置和电梯的控制方法。
背景技术
随着以SiC(碳化硅)为代表的高速开关器件的出现，逆变器和变流器的切换频率(switching frequency)正变得高频化。通过对逆变器和变流器的切换频率进行高频化，能够减小对经切换后的电流进行整流的电感器的容量。其结果是，具有能够在应用这样的高速切换控制的电梯的控制装置中使装置小型化的优点。
另一方面，在这样的电梯的控制装置中设有防止器件间短路的短路防止时间Td。由于与逆变器和变流器的稳定驱动之间的关系，短路防止时间Td无法与切换频率的高频化成比例地缩短。
在无法减小短路防止时间Td的情况下，在变流器中，存在在动力侧发生过剩输出、而在再生侧发生输出不足的课题。针对这样的课题，存在一种现有技术，其具备如下的结构：根据有效电流成分的指令值判断动力运转和再生运转，改变使功率因数控制用无效电流开始流动的阈值(例如，参照专利文献1)。
通过具备这样的结构，专利文献1实现了在再生运转时抑制架线电压的增大并在动力运转时抑制架线电压的减小的动作。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平4-285472号公报
发明内容
发明要解决的课题
可是，现有技术存在以下课题。
基于以下观点，将专利文献1那样的结构应用于像电梯那样频繁地转换动力运转和再生运转的变流器是不合适的。即，在电梯的控制装置中，如果转换的追随特性差，则无法获得期望的输出改善性能，此外，如果转换不平滑，则将损害轿厢的行进特性，从而需要进一步改善控制性能。
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于获得一种能够改善动力运转和再生运转的转换追随特性以及电梯行进特性的电梯的控制装置和电梯的控制方法。
用于解决课题的手段
本发明的电梯的控制装置具备：变流器，其将经由电抗器提供的交流电源转换为直流电源，并将直流电源提供给对电梯进行驱动的曳引机的电机；以及控制器，其通过在将交流电源的交流电流成分分离为有效电流和无效电流来对功率因数进行控制的同时执行变流器的切换，由此将与目标值对应的直流电源提供给电机，其中，控制器判定电梯是处于动力运转中还是再生运转中，当生成用于控制无效电流的无效电流指令值时，在动力运转中时，以使得在动力运转中相比再生运转中难以流过无效电流的方式设定第1阈值而生成无效电流指令值，并在再生运转中时，以使得在再生运转中相比动力运转中容易流过无效电流的方式设定第2阈值而生成无效电流指令值。
此外，本发明的电梯的控制方法应用于具有变流器和控制器的电梯的控制装置，由控制器来执行，变流器将经由电抗器提供的交流电源转换为直流电源，并将直流电源提供给对电梯进行驱动的曳引机的电机，控制器通过在将交流电源的交流电流成分分离为有效电流和无效电流来对功率因数进行控制的同时执行变流器的切换，由此将与目标值对应的直流电源提供给电机，在电梯的控制方法中包括：第1步骤，在该第1步骤中，判定电梯是处于动力运转中还是再生运转中；以及第2步骤，在该第2步骤中，当生成用于控制无效电流的无效电流指令值时，在动力运转中时，以使得在动力运转中相比再生运转中难以流过无效电流的方式设定第1阈值而生成无效电流指令值，并在再生运转中时以使得在再生运转中相比动力运转中容易流过无效电流的方式设定第2阈值而生成无效电流指令值。
发明效果
根据本发明，具备如下的结构：在从开始启动起直到停止为止的一次行进中，能够判断动力运转状态和再生运转状态的转换时刻，根据各个运转状态生成适当的无效电流指令。其结果是，能够得到可以改善动力运转/再生运转的转换追随特性以及电梯行进特性的电梯的控制装置和电梯的控制方法。
附图说明
图1是包含本发明的实施方式1中的PWM变流器的控制装置的电路结构图。
图2是示出本发明的实施方式1中的无效电流基准电路的内部结构的图。
图3是包含本发明的实施方式1的电梯的控制装置的电梯***的整体结构图。
图4是示出本发明的实施方式1的电梯的控制装置所进行的行进控制中的有效电流指令IP*的时间变化的图。
图5是示出通过包含在本发明的实施方式1的电梯的控制装置的控制器内的无效电流控制电路执行的阈值变更处理的图。
图6是示出通过包含在本发明的实施方式1的电梯的控制装置的控制器内的无效电流控制电路执行的、与前面的图5不同的阈值变更处理的图。
具体实施方式
下面，使用附图对本发明的电梯的控制装置和电梯的控制方法的优选实施方式进行说明。
实施方式1.
图1是包含本发明的实施方式1中的PWM变流器的控制装置的电路结构图。虽然未详细图示，但PWM变流器1由与自灭弧型开关元件反并联连接的二极管电桥电路构成，交流输入侧经由AC电抗器2与交流电源VAC连接。此外，在PWM变流器1的直流输出侧并联连接有滤波电容器4和负载5。
电流检测电路6检测PWM变流器1的直流电压V。电压控制电路7比较电压指令V*和直流电压V，并输出有效电流指令IP*，以使得该偏差减小。
相位检测电路9根据交流电源的电压输出相位信号θPS。电流检测电路17根据由电流检测器12R、12S检测出的交流电流IR、IS和由相位检测电路9检测出的电源电压VAC的相位信号θPS运算、分离并输出作为交流电流的有效成分的有效电流IP和作为无效成分的无效电流IQ。
另外，在图1中，例示了利用电流检测器检测三相中的R相和S相的电流的情况，但是本发明不限于这样的结构。采用检测三相中的任意两相或全部三相的电流的结构，也能够获得相同的效果。
有效电流控制电路14根据从电压控制电路7输出的有效电流指令IP*与由电流检测电路17运算出的有效电流IP之间的偏差，计算PWM变流器1的有效电压指令eP*。另一方面，无效电流控制电路15根据由后述的无效电流基准电路18计算出的无效电流指令IQ*与由电流检测电路17运算出的无效电流IQ之间的偏差，计算PWM变流器1的无效电压指令eQ*。
PWM控制电路16根据有效电压指令eP*、无效电压指令eQ*和电源电压VAC的相位信号θPS输出对PWM变流器1的自熄型开关元件的切换指令SW。
另外，在图1中，电压控制电路7、有效电流控制电路14、无效电流控制电路15、PWM控制电路16和无效电流基准电路18相当于根据各检测电路的检测结果输出切换指令SW的控制器30的内部结构。
在这样构成的电梯的控制装置中，本申请发明的技术特征在于上述的利用无效电流基准电路18计算无效电流指令IQ*的手法，使用图2对其详细地进行说明。
图2是示出本发明的实施方式1中的无效电流基准电路18的内部结构的图。本实施方式1中的无效电流基准电路18构成为具备阈值判定电路18a、平方和成分计算电路18b和功率因数控制电路18c。
当有效电流指令IP*大于等于0时，即，当PWM变流器1进行将交流电力正变换为直流电力的动力运转时，阈值判定电路18a通过使用下式(1)来计算在后级的功率因数控制中使用的阈值，当有效电流指令IP*为负，即，当PWM变流器1进行将直流电力逆变换为交流电力的再生运转时，通过使用下式(2)来计算在后级的功率因数控制中使用的阈值。
当IP*≧0时，阈值＝Vlim (1)
当IP*＜0时，阈值＝Vlim－ΔVd (2)
其中，Vlim是由PWM变流器1能够输出的电压限制值确定的成分。此外，ΔVd是上下短路防止时间Td的校正电压成分，例如按照下式(3)来计算。
ΔVd＝直流母线电压[V]×上下短路防止时间[sec]×切换频率[Hz] (3)
平方和成分计算电路18b计算有效电压指令eP*和无效电压指令eQ*的平方和。然后，功率因数控制电路18c根据由阈值判定电路18a计算出的阈值与由平方和成分计算电路18b计算出的平方和之间的偏差来生成无效电流指令Iq*。
如上所述，当用平方和成分进行比较时，以使得Vlim、ΔVd也成为与平方和成分相同维度的方式计算出阈值。此外，当用平方和的平方根信号进行比较时，以使得Vlim、ΔVd也成为与平方根信号相同维度的方式计算出阈值。
通常，PWM变流器1中的Td校正在动力运转侧转变为剩余输出，而在再生侧作为输出不足发挥作用。此外，为了提高PWM变流器1的电压利用率，流过无效电流，进行相当于电机的所谓弱励磁控制的操作。
这里，当PWM变流器1被高切换频率化时，Td校正电压的比率变高，导致电压利用率的降低。因此，在本申请发明中，根据有效电流指令值等判定PWM变流器1是在动力运转中还是再生运转中，根据判定结果来动态地变更设定考虑到Td校正电压的功率因数控制用阈值。
通过具备这样的结构，可以使得在动力侧难以流过无效电流，而在再生侧容易流过无效电流。其结果是，与以往相比，能够追随精度良好地与动力运转/再生运转对应地生成无效电流指令IP*，能够提高变流器的电压利用率。
换言之，通过采用在图1、图2中进行了说明的无效电流基准电路18，在使用SiC那样的高速开关器件以高切换频率使PWM变流器动作时，除了能够实现AC电抗器2的小型化之外，还能够在不使电压利用率必要程度以上地恶化的情况下进行电力转换。
接下来，以下，对将图1所示的本实施方式1的PWM变流器的控制装置应用于电梯的控制的情况详细地进行说明。
图3是包含本发明的实施方式1的电梯的控制装置的电梯***的整体结构图。这里，图3中的控制器30相当于前面图1所示的控制PWM变流器1的控制器30。此外，图1中的负载5相当于曳引机31的电机。另外，在下文中，将曳引机31的电机简称为曳引机31进行说明。
轿厢35由主绳索33连接，主绳索33绕挂在曳引机31上，经由偏导轮32与对重34连接。曳引机31从控制器30获得驱动指令39而使轿厢35升降。
驱动指令39通过由乘客操作位于层站40a～40c的各个层站操作盘38a～38c或轿厢35内的轿厢内操作盘36而被设定行进方向以使得轿厢35前往作为目标的层站，驱动指令39是从控制器30发出的。
此外，设于轿厢等的称量装置37检测轿厢35内的负载，以便能够判定轿厢的移动是动力还是再生。于是，控制器30可以根据行进方向和轿厢35内的负载来判定电梯是以动力运转被启动还是以再生运转被启动。
并且，控制器30对前面图2所示的无效电流基准电路18内的阈值判定电路18a发送动力/再生的判定结果。即，在启动时，无效电流基准电路18可以根据基于行进方向和轿厢35内的负载的判定结果获知是以动力运转被启动还是以再生运转被启动。
这里，作为电梯特有的动作，产生在一次行进内转换动力运转和再生运转的时刻。因此，在这样的转换时，通过由无效电流基准电路18适当地设定变更如上所述的功率因数控制用阈值，从而在以高切换频率执行电梯控制的情况下，也能够抑制电压利用率的降低。
图4是示出本发明的实施方式1的电梯的行进控制中的有效电流指令IP*的时间变化的图。更具体来说，在该图4中示出了以下两个运转模式A、B中的变流器电流指令值的时间变化。
运转模式A：处于从第1楼层朝向第2楼层通过动力运转开始启动，当到达第2楼层时从动力运转转换为再生运转的状态的运转模式
运转模式B：处于从第2楼层朝向第3楼层通过再生运转开始启动，当到达第3楼层时从再生运转转换为动力运转的状态的运转模式
以下分为步骤1～步骤3对执行这样的运转模式A或运转模式B时的控制器30的控制进行说明。
＜步骤1＞：启动时的处理
控制器30可以根据由称量装置37检测出的轿厢35内的负载和轿厢35的行进方向的组合来判断轿厢是作为动力运转被启动还是作为再生运转被启动。具体而言，控制器30可以把情况分为以下的情形1～情形4来判断是动力运转还是再生运转。
情形1：当轿厢内负载大于等于对重34的重量并且行进方向是上升方向时，判定为动力运转
情形2：当轿厢内负载低于对重34的重量并且行进方向是上升方向时，判定为再生运转
情形3：当轿厢内负载比对重34重并且行进方向是下降方向时，判定为再生运转
情形4：当轿厢内负载小于等于对重34的重量并且行进方向是下降方向时，判定为动力运转
＜步骤2＞直到减速开始为止的行进控制
在开始启动之后直到为了在目标楼层停止的减速开始为止，控制器30使用与在步骤1中判定出的动力运转或再生运转对应的阈值生成无效电流指令IQ*，来执行电梯的行进控制。
＜步骤3＞减速开始后的行进控制
控制器30从加速或恒速状态转换为减速状态，由此估计前面图4所示的从动力运转转换为再生运转的时刻、或者从再生运转转换为动力运转的时刻。另外，控制器30可以根据运转模式的信息来估计运转状态切换的时刻，此外，如利用前面的图2所说明的那样，还可以根据有效电流指令IP*的正负值进行检测。
于是，控制器30在动力运转中使用上式(1)，在再生运转中使用上式(2)，根据运转状态切换阈值，生成适当的无效电流指令。
图5是示出包含在本发明的实施方式1的电梯的控制装置的控制器30内的无效电流控制电路18所执行的阈值变更处理的图。具体而言，示出了前面图4所示的与运转模式A、B对应的阈值变更处理的结果。
如图5所示，在动力运转中，本实施方式1中的控制器30依照上式(1)将相当于上下短路防止时间Td的校正电压成分的ΔVd与Vlim相加，由此动态地变更设定阈值。另一方面，在再生运转中，控制器30依照上式(2)从Vlim减去ΔVd，由此动态地变更设定阈值。
其结果是，即使在一次行进中的减速开始时产生电力交换的极性变更那样的电梯特有的控制环境中，也能够根据运转状态执行适当的无效电流控制，在动力运转/再生运转的转换时也能够实现良好的追随特性。
此外，图6是示出包含在本发明的实施方式1的电梯的控制装置的控制器30内的无效电流控制电路18所执行的、与前面的图5不同的阈值变更处理的图。具体而言，在该图6所示的阈值变更处理中，除了前面图5的处理之外，还通过在切换阈值时使其变更为斜坡函数状或低通滤波状，从而实现了控制特性的进一步改善。
这样，通过实施斜坡函数或基于低通滤波的处理，可以防止阈值一下子阶梯状地切换，可以将每单位时间的阈值变化量限制在容许值以内。其结果是，由于阈值平滑地切换，因此具有抑制对轿厢35带来不快的振动的产生，从而能够实现顺畅的轿厢移动的效果。
如上所述，根据实施方式1，能够一种提供无效电流控制电路，该无效电流控制电路在频繁地转换动力运转和再生运转的电梯的控制中与以往相比实现了高精度的控制性能。即，实现了如下的结构：在电梯行进中，能够预测动力/再生运转的转换时刻，并能够根据运转状态生成适当的无效电流指令。
具体而言，在启动时，根据轿厢内负载和行进方向来确定是动力运转还是再生运转。此外，在减速时，根据运转模式的信息或有效电流指令的值来预测转换时刻。并且，具备如下的结构：在转换时刻，当设定用于生成无效电流指令的功率因数控制用阈值时，对基于相当于上下短路防止时间的校正电压成分的值的校正量的加减运算进行切换。
其结果是，可以得到能够根据运转状态动态地生成适当的无效电流指令以执行行进控制，能够改善动力运转/再生运转的转换追随特性以及电梯行进特性的电梯的控制装置和电梯的控制方法。
另外，在上述实施方式中，举出SiC作为高速开关器件的一例，但是，作为带隙大于硅的宽带隙半导体，除了SiC以外，还有例如氮化镓系材料或金刚石。
这样的由宽带隙半导体形成的自灭弧型开关元件和由二极管构成的电桥电路的耐电压特性高，容许电流密度也高。因此，能够实现电桥电路的小型化，通过使用小型化的电桥电路，能够实现组装有电桥电路的半导体模块的小型化。
此外，由于耐热性也高，因此能够实现散热器的散热翅片的小型化以及水冷部的空冷化，因此能够实现半导体模块的进一步小型化。
此外，由于功率损耗低，因此能够实现自灭弧型开关元件和二极管的高效率化，进而，能够实现半导体模块的高效率化。
此外，由于能够对切换频率进行高频化，由此能够减小电感器的容量，能够实现伴随AC电抗器的小型化的、作为电梯的控制装置的进一步的小型化。
另外，虽然希望自灭弧型开关元件和二极管双方由宽带隙半导体形成，但也可以是自灭弧型开关元件和二极管中的任意一方由宽带隙半导体形成。在该情况下，也能够获得上述效果。

Claims (8)

1.一种电梯的控制装置，该电梯的控制装置具备：
变流器，其将经由电抗器提供的交流电源转换为直流电源，并将所述直流电源提供给对电梯进行驱动的曳引机的电机；以及
控制器，其通过在将所述交流电源的交流电流成分分离为有效电流和无效电流来对功率因数进行控制的同时执行所述变流器的切换，由此将与目标值对应的所述直流电源提供给所述电机，其中，
所述控制器判定所述电梯是处于动力运转中还是再生运转中，当生成用于控制所述无效电流的无效电流指令值时，在所述动力运转中时，以使得在所述动力运转中相比所述再生运转中难以流过所述无效电流的方式设定第1阈值而生成所述无效电流指令值，并在所述再生运转中时，以使得在所述再生运转中相比所述动力运转中容易流过所述无效电流的方式设定第2阈值而生成所述无效电流指令值，
所述控制器考虑到执行所述切换的所述变流器内的开关元件的上下短路防止时间来设定所述第1阈值和所述第2阈值。
2.根据权利要求1所述的电梯的控制装置，其中，
所述控制器将用于生成所述无效电流指令值的阈值从所述第1阈值切换为所述第2阈值时、或者从所述第2阈值切换为所述第1阈值时，以使得每单位时间的变化量处于容许值以内的方式施加限制而执行阈值变更处理。
3.根据权利要求1或2所述的电梯的控制装置，其中，
在设所述变流器能够输出的电压限制值为Vlim、所述上下短路防止时间的校正电压成分ΔVd为ΔVd＝直流母线电压[V]×上下短路防止时间[sec]×切换频率[Hz]时，所述控制器将所述第1阈值和所述第2阈值计算为
第1阈值＝Vlim
第2阈值＝Vlim-ΔVd，
而生成所述无效电流指令值。
4.根据权利要求1或2所述的电梯的控制装置，其中，
所述变流器内的所述开关元件由宽带隙半导体形成。
5.根据权利要求3所述的电梯的控制装置，其中，
所述变流器内的所述开关元件由宽带隙半导体形成。
6.根据权利要求4所述的电梯的控制装置，其中，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓系材料或金刚石。
7.根据权利要求5所述的电梯的控制装置，其中，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓系材料或金刚石。
8.一种电梯的控制方法，该电梯的控制方法应用于具有变流器和控制器的电梯的控制装置，由所述控制器来执行，所述变流器将经由电抗器提供的交流电源转换为直流电源，并将所述直流电源提供给对电梯进行驱动的曳引机的电机，所述控制器通过在将所述交流电源的交流电流成分分离为有效电流和无效电流来对功率因数进行控制的同时执行所述变流器的切换，由此将与目标值对应的所述直流电源提供给所述电机，
在所述电梯的控制方法中包括：
第1步骤，在该第1步骤中，判定所述电梯是处于动力运转中还是再生运转中；以及
第2步骤，在该第2步骤中，当生成用于控制所述无效电流的无效电流指令值时，在所述动力运转中时，以使得在所述动力运转中相比所述再生运转中难以流过所述无效电流的方式设定第1阈值而生成所述无效电流指令值，并在所述再生运转中时，以使得在所述再生运转中相比所述动力运转中容易流过所述无效电流的方式设定第2阈值而生成所述无效电流指令值，
在所述第2步骤中，考虑到执行所述切换的所述变流器内的开关元件的上下短路防止时间来设定所述第1阈值和所述第2阈值。
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