JP2001253653A - エレベータシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】二次電池を利用したエレベータシステムにおい
て、放電動作に必要なスイッチング素子及び、スイッチ
ング素子の制御回路，駆動回路を省略し、システムを簡
単で安価にする。 【解決手段】エレベータのモーター以外の装置に必要な
電源を、二次電池から直接供給する。 【効果】二次電池利用エレベータシステムにおいて、主
要な機能を損なうことなく、二次電池の放電動作用のチ
ョッピング素子及び、その駆動，制御回路が省略され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレベータの電源
システムに関し、特に省エネと停電時の非常用電源技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にエレベータの電源主回路は、商用
電源を整流回路によって直流電力に変換し、この電力を
インバータにより可変電圧可変周波数の交流に変換し、
モータに供給している。電源主回路において、エレベー
タのカゴ昇降用モータから発生する回生電力は、インバ
ータに含まれるダイオードを介して、インバータ入力部
に接続された平滑コンデンサの電圧を上昇させる。電源
主回路のインバータ入力部には、回生電力による平滑コ
ンデンサの過大な電圧上昇による回路破壊を防止するた
めに、平滑コンデンサの端子間電圧がある一定レベル以
上となった場合に、抵抗を介して平滑コンデンサを短絡
し、回生電力を熱消費する手段が設けられている。この
ように、一般のエレベータ電源回路では、回生電力は有
効に活用されてはいない。このような現状に対して、特
開昭61−267675号公報や特開平4−236181号公報に示さ
れる先行技術では、図２のように、インバータ入力部の
平滑コンデンサ３に対して二次電池９あるいは、大容量
コンデンサをチョッパ等の双方向性の充放電回路を介し
て接続しており、モータが回生動作時には、回生電力が
モータから戻ってくることによって、平滑コンデンサ３
の電圧が或る一定値以上になることをインバータ入力電
圧検出器４により検出すると、スイッチング素子１２を
チョッパ駆動することにより平滑コンデンサ３に蓄えら
れた回生電力を二次電池９に充電することを行ってい
る。また、モータが力行動作時には、スイッチング素子
１３をチョッパ駆動することにより、回生時に二次電池
に蓄えた電力を平滑コンデンサ３に放電し、二次電池が
満充電になることを防止している。これにより、小容量
の二次電池でありながら回生電力の有効利用を実現して
いる。また、別の先行技術である特開平11−299275号公
報では、整流回路２の出力部、すなわち平滑コンデンサ
３と整流回路の間の直流電流と、平滑コンデンサの端子
間電圧の乗算により、商用電源１からの瞬時の入力電力
を計算し、これが或る設定値以下となるようにチョッパ
を制御することによって、二次電池の満充電防止と同時
に入力電力の平準化を行っている。

【０００３】しかしながら上記の従来技術では、二次電
池や、大容量コンデンサに蓄えたモータからの回生電力
を、再びモータで消費させることを前提としていた。そ
のため、電源システムには回生電力を吸収する充電動作
以外に、放電動作も併せ持つ必要があり、システムを複
雑で高価なものにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
事情に鑑み、二次電池の積極的な放電動作が不要となる
システム構成を採ることにより、従来放電動作に必要で
あったスイッチング素子及び、スイッチング素子の制御
回路，駆動回路を省略し、システムを簡単で安価なもの
にすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、エレベータシステムにおけるモーター以外の電気装
置、例えばドアの駆動装置やブレーキ，インバータの制
御に必要な電源を、二次電池から直接供給する構成をと
ることにより、インバータの回生動作中に二次電池に蓄
えた回生エネルギーを前述のモータ以外の電気装置で有
効に消費する。これにより、二次電池の電力をインバー
タの入力部に放出する動作を行わなくとも、電池が満充
電になる可能性は低く、回生電力を二次電池に随時受け
入れることが可能となる。また、回生電力よりも、前述
のモータ以外の装置での消費電力が大きい場合には、イ
ンバータの動作に係らず、充電動作をすることにより、
二次電池が過放電になるのを防止する。更に、停電時に
はダイオードを介して二次電池の電圧がインバータの入
力部に現れるので、低電圧低速でのモータ駆動は可能で
ある。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
より説明する。図１は本発明の一実施形態を示す二次電
池を利用した省エネエレベータシステムの構成図であ
る。図１において、１は商用電源、２はダイオードブリ
ッジ整流回路、３は平滑コンデンサ、４はインバータ入
力電圧検出器、５はインバータ、６はモータ、８は二次
電池、９は二次電池端子間電圧検出器、１０は二次電池
出力電流検出器、１１はチョッパ用ＤＣリアクトル、１
２は二次電池充電動作用チョッピング素子、１４は二次
電池充電動作用チョッピング素子駆動用ドライバ、１６
は二次電池用充電制御装置、２４はエレベータシステム
の各種電気装置、２５はフライホイールダイオード、２
６はモータ回生動作時の過電圧保護装置である。

【０００７】本実施形態は、商用電源１をダイオードブ
リッジ整流回路２によって整流した後、平滑コンデンサ
３によって平滑した直流電力をインバータ５を介してモ
ータ６に供給する一般的なエレベータの電源システムに
対して、チョッピング素子１２とＤＣリアクトル１１及
びフライホイールダイオード２５から構成される降圧チ
ョッパ回路の入力部をインバータ５の入力部に、二次電
池８を前述の降圧チョッパ回路の出力部に接続し、エレ
ベータシステムの各種電気装置２４を二次電池８の負荷
として二次電池８に並列に接続する構成からなる主回路
及び、前述の降圧チョッパ回路を制御する制御装置１６
から構成される。制御装置１６への入力信号としては、
平滑コンデンサ３の端子間に接続された、インバータの
入力電圧検出器４の出力信号Vdc、二次電池８の端子間
電圧検出器９の出力信号Vbat、ＤＣリアクトル１１の充
電方向電流を正とする電流検出器１０の出力信号ＩＬが
あり、制御装置１６の出力信号としては、前述の降圧チ
ョッパ回路のチョッピング素子１２を駆動する駆動用ド
ライバ１４へのＰＷＭ信号Ｇｃがある。

【０００８】以上の構成により、カゴを昇降駆動モータ
６の発生する回生電力は、前述の降圧チョッパ回路を駆
動することにより、二次電池８に充電される。そして、
蓄えられた回生電力は二次電池８に接続された電気装置
２４に利用されることにより、省エネを実現するととも
に、二次電池が満充電になることを防止し、繰り返しモ
ータからの回生電力を受け入れることを可能としてい
る。

【０００９】次に、本実施形態の動作を図１の構成を例
に説明する。モータ６が力行動作をする場合には、二次
電池を持たない一般のエレベータ同様、モータの駆動に
必要な電力は全て商用電源１から賄われる。モータ６が
回生動作をする場合には、インバータ６に含まれるダイ
オードを介して回生電力がインバータ入力部に接続され
た平滑コンデンサ３に供給されるため、平滑コンデンサ
３の端子間電圧を上昇させる。平滑コンデンサ３の端子
間電圧は電圧検出器４により検出信号Vdc として制御装
置１６に与えられており、平滑コンデンサ３の端子間電
圧を表すVdc の値がある設定レベルであるVcn2以上とな
ったことを制御装置１６が判定すると、制御装置１６は
平滑コンデンサ３の端子間電圧を、Vcn2＞Vdcrefの関係
を満たす或る設定電圧であるVdcrefに制御するためのＰ
ＷＭ信号Gcをゲートドライバ１４に対して与える。この
電圧制御は図４（ａ）に示すような、ＤＣリアクトル電
流制御系４０をマイナーループとする系により実現して
いる。図４（ａ）は、平滑コンデンサ３の電圧検出値Vd
cを設定電圧Vdcref と比較し、その差分を比例積分要素
３４に入力し、比例積分要素３４の出力に対してリミッ
タ３５により、上限リミットを与えた信号をＤＣリアク
トルの電流制御系の電流指令値としている。ここで、前
述のリミッタ３５の設定値は使用する二次電池８の定格
充電電流を基準に選ぶこととする。ＤＣリアクトル電流
制御系４０では、前述のリミッタ３５の出力する電流指
令値とＤＣリアクトル電流検出値ＩＬとを比較し、その
差分を比例積分要素３６に入力し、比例積分要素３６の
出力に対してリミッタ３７により、上下限リミットを与
えた信号を、ＰＷＭ発生手段３８の入力信号としてい
る。ここで、前述のリミッタ３７の設定値はＰＷＭ発生
手段３８中で用いる比較波形の振幅を基準に決定する。
特に、ＰＷＭの最小パルス幅を決定するリミッタ３７の
下限値は最小パルス幅が零とならないように設定するこ
とが肝要である。このようにＰＷＭの最小パルス幅が零
とならないようにする理由を次に説明する。

【００１０】ここで、説明のため、ＰＷＭの最小パルス
幅が零になりうる場合を考えると、モータからの回生電
力が減少し、やがて零となる際にはVdcref＞Vdcとな
る。この時、比例積分要素３４の積分要素にはマイナス
値が蓄積され、比例要素はマイナス値を出力する。した
がって、リアクトル電流指令値はやがてマイナス値とな
る。このため、電流制御系４０の比例積分要素３６の積
分要素にはマイナス値が蓄積され、比例要素はマイナス
値を出力する。したがって、リミッタ３７に下限値が設
定されていない場合にはＰＷＭ発生手段への入力信号は
マイナス値となり、ＰＷＭ信号のパルス幅が零となる。
この結果、回生動作が停止し、平滑コンデンサ３の端子
間電圧が保持され、システム上問題ないように思える
が、この後、続けてモータが回生運転を行った際には前
述の比例積分要素３４，３６の積分要素に過剰なマイナ
ス値が蓄積されているためにＰＷＭのパルス出力が遅
れ、平滑コンデンサ３の過大な電圧上昇を許すこととな
る。これに対して、リミッタ３７の働きによってＰＷＭ
の最小パルス幅が零にならない設定の場合には、モータ
からの回生電力が減少し、零となった場合にでも微小パ
ルスでチョッピング素子１２が駆動されるため、平滑コ
ンデンサ３の端子間電圧は速やかに減少する。そこで、
平滑コンデンサ３の電圧検出値Vdcが或る設定レベルで
あるVcn1 以下となったことを検出し、回生動作を停止
し、後述する待機モードに移行することにより、モータ
が続けて回生動作を行った場合でも回生動作を新規に開
始することから後述する図６のフローチャートにより、
制御系に含まれる積分要素はリセットされるので、ＰＷ
Ｍパルスの出力が異常に遅れることはない。ここで、前
述の設定レベルVcn1は、インバータ停止時の平滑コンデ
ンサの端子間電圧をＶ０とするとき、 Vdcref＞Vcn1＞
Ｖ０の関係を満たす値とする。

【００１１】また、充電制御装置１６は二次電池８の端
子間電圧検出器９の出力信号であるVbatと、予め調べて
おいた電池の残量（％）に対する電池の端子間電圧の関
係を利用して、残量を計算しており、残量が停電時の非
常運転に必要な値を下回った場合には、一定電流Ilref
を二次電池８及び各種電気装置２４に給電するためのＰ
ＷＭ信号Ｇｃをゲートドライバ１４に対して与える。こ
のときの電流制御は図４（ｂ）に示す系により実現され
ており、これは前述の平滑コンデンサ３の電圧を制御す
る電圧制御系のマイナーループに用いたＤＣリアクトル
電流制御系と同一である。この充電動作は電池の残量が
停電時の非常運転に必要な量を或る一定量上回ったとこ
ろで停止する。

【００１２】図１にエレベータシステムにおいて、商用
電源１が停電を起こした場合には、平滑コンデンサ３の
端子間電圧低下に伴って、制御装置１６の動作に関係無
く、チョッピング素子１２のボディーダイオードを介し
て二次電池８の電力が平滑コンデンサ３に供給される。
したがって、モータの駆動は可能である。但し、このと
きの平滑コンデンサ３の端子間電圧は二次電池８の出力
電圧をやや下回る値となるので、二次電池８の出力電圧
により、モータ６の回転速度は制限を受けることとな
る。

【００１３】以上、述べてきたように、図１の省エネエ
レベータシステムの運転には充電制御装置１６の働きが
重要となる。制御装置１６の動作として、回生動作，充
電動作を既に述べたが、これに待機状態を加えた３つの
動作状態を、それぞれ、回生モード，充電モード，待機
モードと名付け、以下に図５〜図７のフローチャートを
用いてその動作を詳しく説明する。

【００１４】図５は待機モードの動作を説明するフロー
チャートである。他のモードから待機モードに移って来
た時には、Ｗ１で示されるＳＴＡＲＴ地点から開始し、
Ｗ２で二次電池の残量であるSOC_bat の計算を行う。Ｗ
３で回生を判定するための或る電圧値Vcn2と平滑コンデ
ンサ３の電圧Vdcを比較し、Vdc≧Vcn2であれば回生状態
と判断し、Ｗ５で電池残量の満充電レベルまでの余裕を
判定する。Ｗ５において、SOC_max は二次電池８の満充
電レベルを表し、通常７０〜８０％に設定される。SOC_
acptは満充電になる少し手前で満充電レベルとして判定
するために設けた値であり、この値を一回の回生動作で
上昇する残量値を基準に選ぶことにより、回生モードと
待機モード間のチャタリングを防止している。Ｗ５にお
いて、SOC_bat≦(SOC_max−SOC_acpt)が成立した場合に
は満充電になるまで二次電池容量に余裕があるとして、
回生モードへ移行する。逆にSOC_bat≦(SOC_max−SOC_a
cpt) が成立しなかった場合には、満充電が近いとし
て、フローチャートの上流に戻り、Ｗ２の二次電池残量
の計算からフローチャートの手順を実行する。Ｗ３にお
いて、Vdc≧Vcn2 が成立しなかった場合には、回生状態
ではないとして、Ｗ４において電池の残量SOC_batが停
電時の非常運転に必要な二次電池残量であるSOC_minを
上回っているかを判定する。Ｗ４においてSOC_bat≦SOC
_min が成立した場合には、二次電池の残量が非常時運
転をするのに不足しているとして、充電モードへ移行す
る。逆にSOC_bat≦SOC_minが成立しなかった場合には、
非常時運転をする程度の二次電池残量は有るとして、フ
ローチャートの上流に戻り、Ｗ２の二次電池残量の計算
からフローチャートの手順を実行する。

【００１５】次に回生モードの動作を図６のフローチャ
ートを用いて説明する。他のモードから回生モードに移
って来た時には、Ｒ１で示されるＳＴＡＲＴ地点から開
始し、Ｒ９で図４（ａ）に示した制御系の比例積分要素
３４，３６に含まれる積分要素をそれぞれ初期化する。
次にＲ２でVdc 電圧を目標値Vdcrefに制御する処理を図
４（ａ）の制御ブロックに基づいて実行し、次いでＲ３
で二次電池の残量であるSOC_bat の計算を行う。次にＲ
４で二次電池８が満充電かを判定するために、電池の残
量SOC_batと二次電池の満充電レベルSOC_maxを比較す
る。ここで、SOC_bat≧SOC_maxが成立すれば、二次電池
は満充電であるとして、待機モードへ移行する。逆にSO
C_bat≧SOC_maxが成立しなかった場合には、満充電では
ないとして、Ｒ５において回生状態の終了を判定するた
めの或る電圧値Vcn1と平滑コンデンサ３の電圧Vdcを比
較し、Vdc≦Vcn1であれば回生状態は終了しているとし
て待機モードに移行する。Ｒ５において、Vdc≦Vcn1が
成立しなかった場合には、回生状態が続いているとし
て、Ｒ２のVdc電圧制御処理からフローチャートの手順
を実行する。

【００１６】次に充電モードの動作を図７のフローチャ
ートを用いて説明する。他のモードから回生モードに移
って来た時には、Ｃ１で示されるＳＴＡＲＴ地点から開
始し、Ｃ９で図４（ｂ）に示した制御系の比例積分要素
３６に含まれる積分要素を初期化する。次にＣ２でＤＣ
リアクトル電流ＩＬを目標値Ilref に制御する処理を図
４（ｂ）の制御ブロックに基づいて実行し、次いでＣ３
で二次電池の残量であるSOC_batの計算を行う。次にＣ
４で回生を判定するための或る電圧値Vcn2 と平滑コン
デンサ３の電圧Vdcを比較し、Vdc≧Vcn2であれば回生状
態と判断し回生モードへ移行する。Ｃ４でVdc≧Vcn2 が
成立しなかった場合には回生状態ではないとして、次に
Ｃ６において二次電池の残量SOC_bat が停電時の非常運
転に必要な残量SOC_minを、或る設定値であるSOC_splだ
け超えていることを判定する。すなわち、SOC_bat≧SOC
_min＋SOC_spl が成立した場合には、二次電池は非常時
に備えて十分に充電されたとして待機モードに移行す
る。逆に成立しなかった場合には、二次電池の残量は不
充分として、Ｃ２のＩＬ電流制御処理からフローチャー
トの手順を実行する。

【００１７】ここで、図８を用いて、電池の利用形態を
まとめる。図８に示すように、回生電力の貯蔵に利用さ
れる容量はSOC_maxからSOC_minの範囲であり、停電時の
非常用にはSOC_min から０％までの容量が利用される。
また本システムでは充電モードの動作により、回生電力
が長時間得られない場合でも、二次電池の残量をSOC_mi
nからSOC_min＋SOC_splの間に保持することにより、停
電時に備えている。また、回生状態を検出した場合に
は、満充電までにSOC_acpt以上の余裕がある場合に限
り、回生動作を開始する。

【００１８】以下に本発明の別の実施形態を図３を用い
て説明する。図３において、２７はダイオードブリッジ
整流回路、２８は平滑コンデンサ、２９，３０は降圧形
の直流−直流変換装置、３３は降圧形の直流−直流変換
装置２９の直流出力ライン、３１，３２はダイオードで
あり、他の符号は図１の場合と同一である。

【００１９】本実施形態ではインバータに電力を供給す
る整流回路２とは別に設けた整流回路２７の出力を平滑
コンデンサ２８で平滑し、直流−直流変換装置２９に入
力する。直流−直流変換装置２９の出力はダイオード３
１を介して別の直流−直流変換装置３０に接続され、直
流−直流変換装置３０の出力を制御装置１６の電源とす
る。さらに、二次電池８をダイオード３２を介してと直
流−直流変換装置３０の入力に接続する構成としてい
る。これにより、制御装置１６は商用電源１と二次電池
８のどちらからでも電力供給を受けることが可能とな
る。ここで、直流−直流変換装置２９の出力電圧Vdc_ou
tを、Vdc_out＞Vbatの関係を満たすように設定すること
により、商用電源１が正常時には商用電源１の電力を、
商用電源１が停電時には二次電池８の電力を制御装置１
６に供給できるようになり、システムの安全性が向上す
る。

【００２０】

【発明の効果】二次電池利用エレベータシステムにおい
て、主要な機能を損なうことなく、二次電池の放電動作
用のチョッピング素子及び、その駆動，制御回路を省略
可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す二次電池を利用した
省エネエレベータシステムの構成図。

【図２】従来例による二次電池を利用した省エネエレベ
ータシステムの構成図。

【図３】本発明の他の実施形態。

【図４】本発明のインバータ入力電圧とＤＣリアクトル
電流の制御を説明する図。

【図５】本発明における充電制御装置が待機モード時の
処理を説明する図。

【図６】本発明における充電制御装置が回生モード時の
処理を説明する図。

【図７】本発明における充電制御装置が充電モード時の
処理を説明する図。

【図８】本発明における二次電池の利用形態を説明する
図。

【符号の説明】

１…商用電源、２…ダイオードブリッジ整流回路、３…
平滑コンデンサ、４…インバータ入力電圧検出器、５…
インバータ、６…モータ、８…二次電池、９…二次電池
端子間電圧検出器、１０…二次電池出力電流検出器、１
１…チョッパ用ＤＣリアクトル、１２…二次電池充電動
作用チョッピング素子、１３…二次電池放電動作用チョ
ッピング素子、１４…二次電池充電動作用チョッピング
素子駆動用ドライバ、１５…二次電池放電動作用チョッ
ピング素子駆動用ドライバ、１６…二次電池用充（放）
電制御装置、２４…エレベータシステム各種電気装置
（負荷）、２５…フライホイールダイオード、２６…過
電圧保護装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用電源を直流に変換する整流回路の直流
   出力を、可変電圧可変周波数の交流に変換してモータを
   駆動し、エレベータのカゴを昇降運転する電圧形インバ
   ータを用いたエレベータシステムにおいて、前記直流出
   力に対して並列に、単一方向性の直流−直流電力変換装
   置を介して二次電池を接続し、エレベータシステムのモ
   ータ以外の装置に必要な電源を二次電池から直接採る構
   成を特徴とするエレベータシステム。
2. 【請求項２】請求項１において、単一方向性の直流−直
   流電力変換装置は、インバータ入力側の平滑コンデンサ
   に蓄えられた電力を、二次電池に供給する方向性を有す
   ることを特徴とするエレベータシステム。
3. 【請求項３】請求項１において、単一方向性の直流−直
   流電力変換装置を制御する制御装置への電力供給手段と
   して、前記インバータに直流電力を供給する整流回路と
   は別に設けた整流回路により得た直流電圧Vdc_outと、
   前記二次電池の出力電圧Vbatをダイオードを介して互い
   に突き合わせることにより、商用電源が正常時には、商
   用電源から制御装置へ電力供給を行い、商用電源が停電
   時には、二次電池より制御装置へ電力供給を行うことを
   特徴とするエレベータシステム。
4. 【請求項４】請求項３において、インバータに直流電力
   を供給する整流回路とは別に設けた整流回路により得た
   直流電圧Vdc_outは、商用電源が正常時にはVdc_out＞Vb
   atとなることを特徴とするエレベータシステム。