JP2010180003A - エレベータ電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源から受電する最大電力を契約電力以下に抑制できるエレベータ電源装置を提供する。
【解決手段】商用電源１０の交流を直流に変換するとともに、直流の電流可変機能を備える電流可変整流手段２１と、直流からモータ３１に供給する交流を生成するインバータ２２と、電流可変整流手段２１とインバータ２２との間に並列に直結された電気二重層キャパシタ２３と、電流可変整流手段２１から出力される直流電流を検出して、商用電源からの受電が契約電力を超えないように電流可変整流手段２１を制御する制御手段２４とを備える。電気二重層キャパシタ２３は、モータ３１の回生運転時に回生電力が充電され、充電された電力がモータの力行運転時に放電される。電気二重層キャパシタ２３には充放電制御回路を別に設ける必要がない。商用電源から受電する最大電力を契約電力以下に抑制できるため、電気料金が節約できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレベータ電源装置に関し、蓄電装置を活用して電気料金の低減を図るものである。

モータで運転するロープ式エレベータは、モータと共に回転する綱車にロープが巻き付けられており、このロープの一端にかごが吊り下げられ、他端に錘が吊り下げられている。この錘の重さは、かごに定員の半数が乗った状態でバランスするように設定されている。
そのため、走行抵抗を無視すれば、かごに定員の半数以上の人が乗った状態で上昇したり、かごに定員の半数以下の人が乗った状態で下降したりする場合は、モータの力行運転が行われ、一方、定員の半数以下の人が乗った状態で上昇したり、定員の半数以上の人が乗った状態で下降したりする場合は、モータの回生運転が行われる。

この回生運転時のモータから発生する回生電力を蓄電池に蓄えて、モータの力行運転時に再利用することにより、エレベータの使用電力量を減らし、電気代を節約しようとする試みが従来から行われている。
しかし、エレベータの消費電力は本来少ないため、回生電力を利用して使用電力量を減らした場合の電気代の節約効果は、それ程大きくない。

そこで、下記特許文献１では、蓄電池を利用して契約電力を低く抑えるエレベータ駆動装置が提案されている。電気代の基本料金は、契約電力によって決まるため、契約電力を引下げることができれば、大幅な電気代の節約が可能になる。
この装置は、図６に示すように、商用電源１００からの交流電力を整流して直流電力に変換する整流器１０１と、この直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１０２と、平滑化された直流電力を可変電圧・可変周波数の三相交流電力に変換するインバータ１０３と、インバータ１０３から交流電力が供給される交流モータ１１０と、ロープが巻回される綱車１１１と、ロープの一端に吊り下げられたかご１１２と、ロープの他端に吊り下げられた錘１１３と、電力を蓄える蓄電池１０５と、ＤＣ−ＤＣコンバータから成る蓄電池１０５の充放電回路１０４と、充放電回路１０４を制御する制御装置１０６とを備えている。

制御装置１０６は、電源１００からの電源電流がブレーカ１０７の遮断電流に達することが無いように、充放電回路１０４を通じて、電源１００から蓄電池１０５を充電する制御や、交流モータ１１０駆動時（力行時）に蓄電池１０５から放電して交流モータ１１０に電力を供給する制御、或いは、交流モータ１１０の回生時（制動時）に蓄電池１０５に回生電力を充電する制御を行う。
そのため、この装置では、商用電源から受電する最大電力が契約電力を超えないように抑えることができる。
特許文献１には、蓄電池１０５として、鉛蓄電池、シール鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、レドックスフロー電池、ＮａＳ電池のような２次電池や電気二重層キャパシタ、燃料電池などが採用できる、と記載されている。

特開２００５−５７８４６号公報

しかし、特許文献１に記載された装置は、蓄電池の充放電回路を必要としているため、この回路自身による回路損失やスイッチング損失が発生し、この損失により給電効率が低下する。
また、この充放電回路に対して、複雑な充放電制御を行わなければならない。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、充放電回路を必要とせずに、商用電源から受電する最大電力を契約電力以下に抑制できるエレベータ電源装置を提供することを目的としている。

本発明は、商用電源からの交流電力を変換して、かごを昇降するモータに供給するエレベータ電源装置であって、商用電源からの交流電力を直流電力に変換して出力するとともに、前記直流電力の電流可変機能を備える電流可変整流手段と、前記電流可変整流手段の出力側に前記電流可変整流手段と並列に接続され、直流電力から前記モータに供給する交流電力を生成するインバータと、前記電流可変整流手段と前記インバータとの間に、それらと並列に直結され、前記モータの回生運転時に回生電力が充電され、充電された電力が前記モータの力行運転時に放電される電気二重層キャパシタと、前記電流可変整流手段から出力される直流電流を検出して、商用電源からの受電が契約電力を超えないように前記電流可変整流手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この装置で用いている電気二重層キャパシタは、蓄電池と違って、その端子電圧が充放電によって大きく変動し、充電されると高くなり、放電すると低くなる。そのため、回生電力で充電されたときは、多くの場合、電気二重層キャパシタの電圧が、電流可変整流手段の電圧よりも上昇する。その結果、回生運転後のモータの力行運転時には、先ず、電気二重層キャパシタからエネルギーがインバータに供給され、電気二重層キャパシタの端子電圧が、放電により電流可変整流手段の電圧以下になって始めて電流可変整流手段がオン（給電可能）になり、商用電源からの交流電力がインバータに供給される。一方、モータの回生運転時には、電流可変整流手段には電流が流れずに、電気二重層キャパシタが充電され、その電圧が上昇する。このように、この装置の電気二重層キャパシタは、インバータに直結されているため、モータすなわちインバータの回生運転と力行運転に対応して充電と放電が行われ、特許文献１に記載された充放電回路とその制御装置とを別に設ける必要がない。

また、本発明のエレベータ電源装置では、前記制御手段が、前記電気二重層キャパシタの電圧を検出し、前記電圧が予め定められた閾値より小さいときに、前記電流可変整流手段を制御して、前記電流可変整流手段から出力される前記直流電力で前記電気二重層キャパシタを充電するように構成することができる。
このように、この装置では、電気二重層キャパシタの初期充電や、電気二重層キャパシタの電圧が閾値を下回ったときの充電を、電流可変整流手段を制御して実行することができる。こうして電気二重層キャパシタにおける必要最小限の充電を確保することにより、電気二重層キャパシタへの突入電流の流入が未然に防止できる。

また、本発明では、前記電流可変整流手段を、三相サイリスタ全波整流回路、または三相混合ブリッジ整流回路、または、三相ダイオード整流回路と降圧チョッパ回路との組合わせ、または、三相ダイオード整流回路と昇降圧チョッパ回路との組合わせによって構成することができる。
これらの回路で電流可変整流手段を構成した場合は、契約電力を超える受電電力の抑制とともに、電気二重層キャパシタの初期充電が可能である。

また、本発明では、前記電流可変整流手段を、高力率コンバータによって構成することもできる。
高力率コンバータで電流可変整流手段を構成した場合は、契約電力を超える受電電力の抑制が可能である。

本発明のエレベータ電源装置は、充放電回路を必要としないため、充放電回路による回路損失が無く、高い充放電効率が得られる。また、充放電回路への複雑な充放電制御が不要であり、装置が簡素化できる。
また、契約電力を低く抑えることができ、電気料金が節約できる。

本発明のエレベータ電源装置の実施形態を示す図 実施例１のエレベータ電源装置の回路図 実施例２のエレベータ電源装置の回路図 実施例３のエレベータ電源装置の回路図 実施例４のエレベータ電源装置の回路図 従来のエレベータ電源装置を示す図

本発明のエレベータ電源装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
この装置は、図１に示すように、商用電源１０からの交流電力を直流電力に変換するとともに、直流電力の電流可変機能を備える電流可変整流手段２１と、直流から交流モータ３１に供給する三相交流を生成するインバータ２２と、電流可変整流手段２１及びインバータ２２の間にそれらと並列に直結された電気二重層キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ、以下、ＥＤＬＣと記す）２３と、電流可変整流手段２１から出力される直流電流を検出する電流センサ２５と、ＥＤＬＣ２３の端子間電圧を検出する電圧センサ２６と、電流可変整流手段２１を制御する制御装置２４とを備えている。

交流モータ３１は、ロープが巻回された綱車３２と一体に回転する。ロープの一端にはかご３３が吊り下げられ、他端には錘３４が吊り下げられている。
ＥＤＬＣ２３は、固体電極と電解質溶液との接触面に形成される電気二重層を利用したキャパシタであり、１セルの最大電圧が２．５Ｖ程度であるため、例えば、１個の静電容量が２００Ｆのセルを１７０セル直列に接続して使用する。ＥＤＬＣ２３には、モータ３１の回生運転時に回生電力が充電され、充電された電力がモータ３１の力行運転時に放電されるが、このＥＤＬＣ２３は、大きな静電容量を有しているため、非常に短時間で大電流の充放電が可能である。

また、ＥＤＬＣ２３は、蓄電池と違って、その端子電圧が充放電によって大きく変動し、充電されると高くなり、放電すると低くなる。この装置では、後述するように、ＥＤＬＣ２３のこの性質を利用してＥＤＬＣ２３の充放電を制御している。このようにＥＤＬＣ２３が自ら充放電制御を行うので、充放電制御回路を別に設ける必要はない。

制御装置２４には、電流センサ２５で検出された電流可変整流手段２１の直流出力電流のデータと、電圧センサ２６で検出されたＥＤＬＣ２３の端子間電圧のデータとが入力し、また、電流可変整流手段２１の直流出力電流値を指定する直流電流指令と、ＥＤＬＣ２３の最低電圧を指定するＥＤＬＣ最低電圧指令とが入力する。
直流電流指令では、商用電源１０からの受電が契約電力を超えないための電流可変整流手段２１の直流出力電流値が指定される。また、ＥＤＬＣ最低電圧指令では、電流可変制御手段２１を運転するＥＤＬＣ２３の最大電圧が指定される。すなわちＥＤＬＣ２３の電圧が最低電圧指令以下の場合は電流可変制御手段２１を運転してＥＤＬＣ２３を充電し、ＥＤＬＣ２３の電圧が最低電圧指令以上の場合は電流可変制御手段２１の運転を停止する。例えば、三相２００Ｖ電源であれば、２００Ｖ×１．３５の約９５％の約２５０ＶがＥＤＬＣ最低電圧として指定される。これらの指令は、エレベータの管理者によって入力操作部（不図示）から予め入力される。ＥＤＬＣ最低電圧指令は、エレベータの電源投入時には、ＥＤＬＣ２３の初期充電を終了するための指令として利用され、その後のエレベータ運転時には、力行運転でＥＤＬＣ電圧がこの電圧以下に低下した場合に、電流可変制御手段２１を運転するために利用される。

制御装置２４は、電流センサ２５で検出された電流可変整流手段２１の直流電流値が、直流電流指令で指定された電流値を超えないように電流可変整流手段２１を制御する。
また、制御装置２４は、電圧センサ２６で検出されたＥＤＬＣ２３の端子間電圧が、ＥＤＬＣ最低電圧指令で指定されたＥＤＬＣ最低電圧以下になった場合に、契約電力を超えることが無いように電流可変整流手段２１を制御しながら、商用電源１０からの交流を電流可変整流手段２１で直流に変換し、ＥＤＬＣ２３を充電する。

次に、この装置の動作について説明する。
電源が投入されると、制御装置２４は、電源投入後、約３０秒程度の間、契約電力を超えないように電流可変整流手段２１を制御しながら、商用電源１０からの交流を電流可変整流手段２１で直流に変換し、ＥＤＬＣ２３を初期充電する。電圧センサ２６で検出されたＥＤＬＣ２３の端子間電圧がＥＤＬＣ最低電圧に達した場合は、電流可変整流手段２１の整流動作を停止し、初期充電を終了する。

例えば、かご３３に定員の半数以下の人が乗って上昇する場合、モータ３１は回生運転状態となり、回生電力がインバータ２２からＥＤＬＣに出力される。そのため、インバータ２２の入力側（ＥＤＬＣ２３が接続する側）の電圧が上昇し、多くの場合、電流可変整流手段２１の出力端子電圧よりも高くなるため、電流可変整流手段２１はオフ状態となる。それ故、回生電力は、電流可変整流手段２１に流れることなく、ＥＤＬＣ２３のみが充電される。
充電されたＥＤＬＣ２３の電圧は、電流可変整流手段２１の出力端子電圧よりも上昇する。そのため、ＥＤＬＣ２３が充電状態にある間、電流可変整流手段２１のオフ状態は継続する。

次に、かご３３に定員の半数以下の人が乗って下降する場合、モータ３１は、力行運転を行う。このとき、先ず、電圧が上昇したＥＤＬＣ２３の放電が行われ、そのエネルギーがインバータ２２に供給されてモータ３１への交流出力が生成される。この放電によりＥＤＬＣ２３の電圧が電流可変整流手段２１の出力端子電圧以下に低下すると、電流可変整流手段２１がオン状態に変化し、今度は、商用電源１０からの交流が、電流可変整流手段２１により直流に変換されてインバータ２２に供給される。
このとき、制御装置２４は、電流可変整流手段２１から出力される直流電流の値が、直流電流指令で指定された電流値を超えないように電流可変整流手段２１を制御する。
また、制御装置２４は、モータ３１が停止した後も、電圧センサ２６で検出されたＥＤＬＣ２３の端子間電圧がＥＤＬＣ最低電圧に達するまでは、契約電力を超えないように電流可変整流手段２１を制御しながら、商用電源１０からの交流を電流可変整流手段２１で直流に変換し、ＥＤＬＣ２３を充電する。電圧センサ２６で検出されたＥＤＬＣ２３の端子間電圧がＥＤＬＣ最低電圧に達した場合は、電流可変整流手段２１の整流動作を停止させる。

このように、この装置では、ＥＤＬＣ２３の充放電制御が、ＥＤＬＣ２３の電圧が充放電により変化することを利用して自動的に行われる。そのため、特許文献１のような充放電回路１０４とその制御装置１０６とを必要としない。
また、制御装置２４により、商用電源から受電する最大電力が契約電力以下に抑制されるため、契約電力を低く設定することが可能になり、電気料金が節約できる。
なお、本発明のエレベータ電源装置では、商用電源が停電した場合にＥＤＬＣ２３の蓄電エネルギーを利用して、運転中のかごを最寄り階や基準階に移動させることが可能で、蓄電池を用いた停電時自動着床装置を省略できる。

実施例１として、この装置の電流可変整流手段２１を三相サイリスタ全波整流回路で構成した場合の回路図を図２に示している。
三相サイリスタ全波整流回路４０は、６個のサイリスタで構成される。また、制御装置は、ＥＤＬＣ２３の端子間電圧とＥＤＬＣ最低電圧とを比較する比較器５１と、三相サイリスタ全波整流回路４０から出力される直流電流値と直流電流指令で指定された電流値との差分に基づいて電流値を指定する電流制御器５５と、指定された電流値を得るための位相制御角を演算する位相制御角演算部５４と、電源電圧の位相を検出する電源位相検出部５２と、電源電圧の位相が位相制御角に一致したときに三相サイリスタ全波整流回路４０の各サイリスタにトリガ信号を出力するゲート駆動回路５３とを有している。

三相サイリスタ全波整流回路４０は、商用電源から入力する三相電流の整流動作を、ゲート駆動回路５３から入力するトリガ信号に基づいて実行する。トリガ信号のタイミングにより、三相サイリスタ全波整流回路４０から出力される直流の電流値は変わってくる。
比較器５１は、ＥＤＬＣ２３の端子間電圧がＥＤＬＣ最低電圧より低い場合に、ゲート駆動回路５３に信号を出し続け、ゲート駆動回路５３は、比較器５１からの信号が停止するまで三相サイリスタ全波整流回路４０にトリガ信号を出し続ける。
また、この回路では、回生電力がＥＤＬＣ２３の充電可能な最高電圧を超えた場合に、超えた分を熱として消費するための抵抗チョッパ２７を設けている。このＥＤＬＣ最高電圧は、例えば、約４００Ｖ程度である。
なお、三相サイリスタ全波整流回路は、三相混合ブリッジ整流回路に置き換えることも可能である。

実施例２として、この装置の電流可変整流手段２１を、三相ダイオード整流回路と降圧チョッパ回路とで構成した場合の回路図を図３に示している。
降圧チョッパ回路４２は、半導体スイッチ、ダイオード、平滑リアクトル及び平滑コンデンサから成り、三相ダイオード整流回路４１で整流された電流を減らして出力する。電流低減の割合は、半導体スイッチのオン・オフのタイミングを変えることで変化する。

制御装置は、ＥＤＬＣの端子間電圧とＥＤＬＣ最低電圧とを比較する比較器５１と、降圧チョッパ回路４２から出力される直流電流値と直流電流指令で指定された電流値との差分に基づいて電流値を指定する電流制御器５５と、降圧チョッパ回路４２の半導体スイッチをオン・オフ駆動するゲート駆動回路５３とから成り、ゲート駆動回路５３は、電流制御器５５から指定された電流値に基づいて半導体スイッチのオン・オフのタイミングを設定し、比較器５１からの信号が停止するまで降圧チョッパ回路４２の駆動を続ける。

実施例３として、この装置の電流可変整流手段２１を、三相ダイオード整流回路と昇降圧チョッパ回路とで構成した場合の回路図を図４に示している。
この回路は、図３の回路の降圧チョッパ回路の部分が、直流出力電流の低減及び増加が可能な昇降圧チョッパ回路４３に変わっているが、その他の構成は変わりがない。
また、昇降圧チョッパ回路では昇圧が可能なため、ＥＤＬＣ最低電圧指令の値を三相ダイオード整流回路の出力電圧（三相２００Ｖ電源であれば２００Ｖ×１．３５＝２７０Ｖ）以上に選ぶことも可能である。

実施例４として、この装置の電流可変整流手段２１を、高力率コンバータで構成した場合の回路図を図５に示している。
高力率コンバータ４４は、入力電流波形を正弦波に成形する整流器である。
制御装置は、電源電圧の位相を検出する電源位相検出部５２と、高力率コンバータ４４の各スイッチング素子のスイッチング信号を生成するコンバータ制御回路５６と、各スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路５３とから成る。コンバータ制御回路５６は、電源電圧の位相や電源電流の波形、電力指令、ＥＤＬＣの端子間電圧に基づいて高力率コンバータ４４の各スイッチング素子のスイッチング信号を生成する。
高力率コンバータ４４は、理論的に出力電圧に最低値があるので、直流出力電流を契約電力以下に抑え込むことは可能であるが、ＥＤＬＣの初期充電は行うことができない。そのため、初期充電は別の専用回路で行う必要がある。

本発明は、エレベータに掛かる電気代を、簡単な構成で節約できるようにしており、各種のエレベータで広く利用することができる。

１０ 商用電源
２１ 電流可変整流手段
２２ インバータ
２３ 電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）
２４ 制御装置
２５ 電流センサ
２６ 電圧センサ
２７ 抵抗チョッパ
３１ 交流モータ
３２ 綱車
３３ かご
３４ 錘
４０ 三相サイリスタ全波整流回路
４１ 三相ダイオード整流回路
４２ 降圧チョッパ回路
４３ 昇降圧チョッパ回路
４４ 高力率コンバータ
５１ 比較器
５２ 電源位相検出部
５３ ゲート駆動回路
５４ 位相制御角演算部
５５ 電流制御器
５６ コンバータ制御回路
１００ 商用電源
１０１ 整流器
１０２ 平滑コンデンサ
１０３ インバータ
１０４ 充放電回路
１０５ 蓄電池
１０６ 制御装置
１１０ 交流モータ
１１１ 綱車
１１２ かご
１１３ 錘

Claims (7)

1. 商用電源からの交流電力を変換して、かごを昇降するモータに供給するエレベータ電源装置であって、
   商用電源からの交流電力を直流電力に変換して出力するとともに、前記直流電力の電流可変機能を備える電流可変整流手段と、
   前記電流可変整流手段の出力側に前記電流可変整流手段と並列に接続され、直流電力から前記モータに供給する交流電力を生成するインバータと、
   前記電流可変整流手段と前記インバータとの間に、それらと並列に直結され、前記モータの回生運転時に回生電力が充電され、充電された電力が前記モータの力行運転時に放電される電気二重層キャパシタと、
   前記電流可変整流手段から出力される直流電流を検出して、商用電源からの受電が契約電力を超えないように前記電流可変整流手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするエレベータ電源装置。
2. 請求項１に記載のエレベータ電源装置であって、前記制御手段は、前記電気二重層キャパシタの電圧を検出し、前記電圧が予め定められた閾値より小さいときに、前記電流可変整流手段を制御して、前記電流可変整流手段から出力される前記直流電力で前記電気二重層キャパシタを充電することを特徴とするエレベータ電源装置。
3. 請求項１または２に記載のエレベータ電源装置であって、前記電流可変整流手段が、三相サイリスタ全波整流回路から成ることを特徴とするエレベータ電源装置。
4. 請求項１または２に記載のエレベータ電源装置であって、前記電流可変整流手段が、三相混合ブリッジ整流回路から成ることを特徴とするエレベータ電源装置。
5. 請求項１または２に記載のエレベータ電源装置であって、前記電流可変整流手段が、三相ダイオード整流回路及び降圧チョッパ回路から成ることを特徴とするエレベータ電源装置。
6. 請求項１または２に記載のエレベータ電源装置であって、前記電流可変整流手段が、三相ダイオード整流回路及び昇降圧チョッパ回路から成ることを特徴とするエレベータ電源装置。
7. 請求項１に記載のエレベータ電源装置であって、前記電流可変整流手段が、高力率コンバータからなることを特徴とするエレベータ電源装置。