(57)【要約】【課題】回生エネルギーを有効に活用することによりエネルギー消費を削減し、外部からのエネルギー供給を最小限にする交流エレベータの電源装置を実現することである。【解決手段】商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、回生電力により充電されるバッテリを備え、前記バッテリーの電力を前記インバータに供給する回路を設けている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、回生電力により充電されるバッテリを備え、前記バッテリの電力を前記インバータに供給する回路を設けたことを特徴とする交流エレベータの電源装置。
【請求項２】
商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、回生電力により充電されるバッテリを備え、前記バッテリの電力を前記インバータに供給する回路を設け、前記バッテリの充電量を適量に維持する回路を備えたことを特徴とする交流エレベータの電源装置。
【請求項３】
商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、前記インバータの入力電圧を一定に制御する電源装置を備えたことを特徴とする交流エレベータの電源装置。
【請求項４】
商用電源と、商用電源からの電力により動作して交流の電力を発生するインバータと、前記インバータが発生する交流の電力によって駆動される電動機とを備えた交流エレベータにおいて、充電が可能なバッテリと、前記バッテリに充電と放電を行なわしめるための充電電回路と、前記充電電回路の動作を制御して、インバータに対する入力電圧を制御する制御回路とを備え、電動機からの回生電力によってバッテリを充電すると共に、前記バッテリの発生電力を前記インバータに供給することを特徴とする交流エレベータの電源装置。
【請求項５】
前記制御回路は、インバータの入力電圧を一定に制御する電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の交流エレベータの電源装置。
【請求項６】
前記制御回路は、バッテリの充電量を適量に維持するための充電量制御手段を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の交流エレベータの電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流を直流に変換しその直流を交流に変換して電動機に供給するようにした交流エレベータの電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、交流エレベータの電源装置では、外部電源からの交流を直流に変換しその直流を交流に変換してエレベータ駆動用の電動機に供給してエレベータを制御するようにしている。
【０００３】
図５は、そのような従来の交流エレベータの電源装置の構成図である。三相商用電源である外部電源１の三相交流は整流器２で全波整流され、平滑コンデンサ３で整流器２からのリップル分を吸収し、平滑された直流を電圧形インバータ６に供給する。電圧形インバータ６は、入力された直流を所定の交流に変換してエレベータ駆動用の電動機７に出力しカウンタウエイト１２が接続されたかご１１を制御する。すなわち、電動機７は減速機８を介してメインシーブ９およびそらせシーブ１０に吊されたかご１１を制御する。
【０００４】
通常、エレベータの力行運転時は外部電源１からの三相交流を整流器２で整流し、平滑コンデンサ３で平滑して直流とし、これを電圧形インバータ６により交流に変換して電動機７を駆動して、かご１１を運転している。
【０００５】
一方、エレベータの回生運転時には電動機７が発電機となり、電圧形インバータ６のダイオード整流器を通して整流され、回生エネルギーにより平滑コンデンサ３が充電され両端の電圧が上昇する。この両端の電圧を検出して回生用スイッチング素子５をオンオフして回生抵抗器４に通電して回生エネルギーを流し込み、回生エネルギーを消費するようにしている。
【０００６】
このように、エレベータは、力行運転および回生運転を繰り返しているので、昇った乗客が全て降りる時もエレベータを利用した場合には、エネルギー消費は零となる。つまり、理想的に機械的損失がないとして回生時のエネルギーが全て回収されたとすると、エネルギー消費は零となる。実際には損失が必ず発生するからエネルギーが必要となるが、効率がどんどん向上し、回収エネルギーも有効に回収できて利用できれば、どんどん理想型に近づくと言える。
【０００７】
現在でも、容量が大きく減速機８を用いない回生効率のよいギアレスエレベータでは、外部電源１側に回生用のコンバータを設け、回生エネルギーを抵抗で消費せずに外部電源１へ回生している場合もある。
【０００８】
また、電圧形インバータ６の入力端子側にバッテリを備え、回生エネルギーをそのバッテリに充電し、バッテリの蓄積エネルギーの不足分を太陽電池で補うようにしたシステムや、回生エネルギーをコンデンサに蓄えるようにしたシステムが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−２３６１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、回生エネルギーを抵抗で消費せずに外部電源１へ回生するものは、装置が高価になること、また外部電源１に回生したエネルギーが直接的に電気料金に反映されないこと等の問題があった。また、バッテリを設けたものでは、バッテリに回生エネルギーを短時間に吸収することは難しく、太陽電池で不足分を補うためにはかなり規模が大きくなり、コスト的に厳しくなる。またコンデンサにエネルギーを蓄える場合にも装置が複雑になる等の問題があった。
【００１０】
このように、従来のエレベータでは、回生エネルギーを抵抗で消費する等、回生エネルギーを有効に使用していない。また、外部電源１に回生する場合にも、装置が高価になったり電気料金に反映できない等の問題があった。また、回生エネルギーを吸収し有効に利用しようとすると、装置が大規模になったり高価になったり現実的ではなかった。
【００１１】
本発明の目的は、回生エネルギーを有効に活用することによりエネルギー消費を削減し、外部からのエネルギー供給を最小限にする交流エレベータの電源装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明に係わる交流エレベータの電源装置は、商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、回生電力により充電されるバッテリーを備え、前記バッテリーの電力を前記インバータに供給する回路を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明に係わる交流エレベータの電源装置は、商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、回生電力により充電されるバッテリーを備え、前記バッテリーの電力を前記インバータに供給する回路を設け、前記バッテリーの充電量を適量に維持する回路を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明に係わる交流エレベータの電源装置は、商用電源からの電力により、インバータを介して電動機が制御される交流エレベータの電源装置において、前記インバータの入力電圧を一定に制御する電源装置を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明に係わる交流エレベータの電源装置は、商用電源と、商用電源からの電力により動作して交流の電力を発生するインバータと、前記インバータが発生する交流の電力によって駆動される電動機とを備えた交流エレベータにおいて、充電が可能なバッテリーと、前記バッテリーに充電と放電を行なわしめるための充電／放電回路と、前記充電／放電回路の動作を制御して、インバータに対する入力電圧を制御する制御回路とを備え、電動機からの回生電力によってバッテリーを充電すると共に、前記バッテリーの発生電力を前記インバータに供給することを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明に係わる交流エレベータの電源装置は、請求項４の発明において、制御回路は、インバータの入力電圧を一定に制御する電圧制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明に係わる交流エレベータの電源装置は、請求項４または５の発明において、制御回路は、バッテリーの充電量を適量に維持するための充電量制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回生エネルギーを有効に吸収し、かつ力行運転の際に利用でき、エネルギーの消費を最小限に抑制できる。また、バッテリや太陽電池と組み合わせることにより、外部からの電源供給を理想的には零にできる可能性がある。また、エネルギー供給もバッテリを使用することにより任意に行なうことができるため、ピーク負荷の軽減や深夜電力利用によるコスト削減も可能になる。また、ダイオード整流器のピーク電流を軽減して高周波の抑制効果も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる交流エレベータの電源装置の構成図である。
【００２０】
三相商用電源である外部電源１の三相交流は電磁接触器３９を介して整流器２で全波整流され、平滑コンデンサ３で整流器２からのリップル分を吸収し、平滑された直流を電圧形インバータ６に供給する。電圧形インバータ６は、入力された直流を所定の交流に変換してエレベータ駆動用の電動機７に出力する。また、整流器２の後段には、平滑コンデンサ３に並列にエネルギー蓄積装置３７及びバッテリ３８が接続されている。
【００２１】
エネルギー蓄積装置３７は平滑用コンデンサ３のエネルギーを吸収したり平滑用コンデンサ３にエネルギーを放出したりするものであり、エネルギー蓄積装置３７から平滑用コンデンサ３に放出するエネルギーが不足した場合に、その不足分のエネルギーバッテリ３８から補い、それでも不足の場合には電磁接触器３９を閉じて整流器２を介して外部電源１から補うように構成されている。
【００２２】
図２は本発明の第１の実施の形態におけるエネルギー蓄積装置３７の実施例１を示す説明図であり、図２（ａ）はその回路図、図２（ｂ）はエネルギー吸収の際に形成される回路図、図２（ｃ）はエネルギー放出の際に形成される回路図である。
【００２３】
このエネルギー蓄積装置３７は、電圧形インバータ６の入力端子側に設けられる。すなわち、図２（ａ）において、電圧形インバータ６の入力端子側に設けられた平滑コンデンサ３に並列に電圧検出器２０が設けられ、この電圧検出器２０により平滑コンデンサ３の電圧が検出される。
【００２４】
エレベータが力行運転であるときには平滑コンデンサ３の電圧は所定の電圧値を保っており、エレベータが回生運転になると電圧形インバータ６から入力端子側に回生エネルギーが戻されるので、平滑コンデンサ３の電圧は所定の電圧値より上昇する。つまり、電圧検出器２０により力行運転であるのか回生運転であるのかを検出するようにしている。
【００２５】
次に、平滑コンデンサ３と並列に吸収用リアクトル１４および吸収用スイッチング素子１５を介して蓄積用コンデンサ１６が直列に接続されている。蓄積用コンデンサ１６は回生エネルギーを蓄積するものであり、後述するように近年開発された容量の大きい電気二重層コンデンサを使用する。
【００２６】
この蓄積用コンデンサ１６に並列に放出用リアクトル１８および放出用スイッチング素子１９の直列回路が接続されている。そして、放出用リアクトル１８と放出用スイッチング素子１９との接続点からダイオード１７が電圧形インバータ６の入力端子（正極）に接続され、また吸収用リアクトル１４と吸収用スイッチング素子１５との接続点からフライホイールダイオード１３が電圧形インバータ６の入力端子（正極）に接続されている。
【００２７】
次に、エネルギー蓄積用コンデンサ１６へのエネルギー吸収について説明する。前述のように、回生運転の際には平滑コンデンサ３に回生エネルギーが蓄積され始めるので、平滑コンデンサ３の端子電圧は上昇している。この平滑コンデンサ３の電圧上昇は電圧検出器２０で検出される。電圧検出器２０が平滑コンデンサ３の電圧上昇を検出すると、吸収用スイッチング素子１５をオンする。これにより、図２（ｂ）に示すように、平滑コンデンサ３に蓄積用コンデンサ１６が並列に接続された状態となり、吸収用リアクトル１４および吸収用スイッチング素子１５を介して蓄積用コンデンサ１６を充電する。充電が完了すると吸収用スイッチング素子１５はオフとなる。
【００２８】
この場合、平滑コンデンサ３の端子電圧と蓄積用コンデンサ１６の端子電圧との電圧差が大きいと突入電流が発生するため、これを抑えるため吸収用リアクトル１４を設けて吸収用スイッチング素子１５の定格を越えないようにしている。また、蓄積用コンデンサ１６の容量は吸収するエネルギーに見合う容量に選定する。これにより、回生エネルギーを適正に吸収できることになる。フライホイールダイオード１３は、吸収用スイッチング素子１５がオフした時に発生する吸収用リアクトル１４の逆起電力を吸収するダイオードである。
【００２９】
次に、エネルギー蓄積用コンデンサ１６からエネルギーを放出する場合について説明する。力行運転の際には平滑コンデンサ３で平滑した直流が電圧形インバータ６に供給されるので、平滑コンデンサ３は放電を開始し端子電圧が降下することになる。すなわち、平滑コンデンサ３の端子電圧は回生運転の際より下降する。この平滑コンデンサ３の電圧下降は電圧検出器２０で検出され、電圧検出器２０が平滑コンデンサ３の電圧下降を検出すると、放出用スイッチング素子１９をオンする。
【００３０】
この場合、蓄積コンデンサ１６はある電圧に充電された状態であるので、図２（ｃ）に示すように、蓄積コンデンサ１６、放出用リアクトル１８および放出用スイッチング素子１９を通した閉回路が形成されて放電電流が流れる。この放電電流が流れた状態で放出用スイッチング素子１９をオフすると、放出用リアクトル１８に蓄えられたエネルギーがダイオード１７を通して平滑コンデンサ３に流れ込む。これにより、平滑コンデンサ３が充電されて電圧形インバータ６の入力端子間電圧が上昇する。これを繰り返すことにより、蓄積用コンデンサ１６の電荷を平滑コンデンサ３に放出してエネルギーを供給する。
【００３１】
ここで、エネルギー的には、蓄積用コンデンサ１６に充電されるエネルギーＥは、蓄積用コンデンサ１６の容量をＣ、蓄積用コンデンサ１６の端子電圧をＶとしたとき、以下の（１）式で示される。
【００３２】
Ｅ＝（１／２）ＣＶ2 …（１）
従って、エネルギーを大きく蓄えようとすると２乗できいてくる端子電圧Ｖをいかに大きな範囲で使用するかが重要になる。このためエネルギー吸収時には、蓄積用コンデンサ１６の電圧初期値をできるだけ低い値にしておくことが望ましい。そこで、エネルギー放出時には、昇圧回路（蓄積用コンデンサ１６、放出用リアクトル１８および放出用スイッチング素子１９で形成される閉回路）により、蓄積用コンデンサ１６が平滑コンデンサ３のコンデンサ電圧よりも電圧が低くても電荷を蓄積用コンデンサ１６から平滑コンデンサ３へ放出し、蓄積用コンデンサ１６の電圧をできるだけ下げる方法を取っている。
【００３３】
次に、一般的なエレベータを想定して、蓄積用コンデンサ１６の容量を概略計算を行うと、以下のようになる。まず、質量ｍの物体が速度ｖで運動している場合の運動エネルギーＥは、下記（２）式で示される。
【００３４】
Ｅ＝（１／２）ｍｖ2 …（２）
いま、エレベータの慣性系を含めた質量ｍが３０００［ｋｇ］であるとし、分速６０［ｍ／分］で運転しているとする。その場合の運動エネルギーは（２）式より、１４７００［Ｊ］となる。そして、蓄積用コンデンサ１６の端子電圧ＶをＶ＝３００［Ｖ］とし、理想的に電圧０［Ｖ］から使用したとする。この場合、エネルギー吸収に必要なコンデンサ容量Ｃを求めると、（１）式より、Ｃ＝０．３２６［Ｆ］となる。
【００３５】
ここで、現実的に蓄積用コンデンサ１６の端子電圧Ｖを３００［Ｖ］の半分の１５０［Ｖ］にて使用した場合では、エネルギー吸収に必要なコンデンサ容量Ｃは、Ｃ＝１．３Ｆとなり、このくらいの容量のコンデンサが用意できれば現実可能と考えられる。
【００３６】
平滑コンデンサ３用に用いられているアルミ電解コンデンサでは、これだけ大きな容量を実現するのは大きなスペースを必要とするが、近年開発された電気二重層コンデンサを使用すると容量も充分確保でき、実用的な容量が可能である。なお、現状では電圧が低いことが難点であるが、これも充電方法の改良等により実用化の目度も立ってきている（平成８年電気学会全国大会論文８０９「電気二重層コンデンサを用いたエネルギー貯蔵装置の開発」、「トリガー」日刊工学新聞社刊、１９９６年９月号「コンデンサーと電子回路で作った新型物理電池（Ｐ１３８〜Ｐ１４０）」）。従って、これらの技術を使用すれば、大容量のコンデンサの適用も可能である。そこで、本発明では蓄積用コンデンサ１６として電気二重層コンデンサを用いる。
【００３７】
このエネルギー蓄積装置３７の実施例１によれば、電圧形インバータ６の入力端子にエネルギー蓄積装置３７を組み込むので、回生エネルギーを有効に活用することが可能となり、外部からのエネルギー供給を削減することが可能となる。また、ダイオード整流の場合、力行運転時には平滑コンデンサ３への充電電流により電源に高周波を発生させる不具合があるが、これも力行時にはエネルギー蓄積装置３７からエネルギーを供給するので軽減できる。また、エネルギー蓄積装置３７は既存の交流エレベータの電源装置にも後付け可能なため、適用も容易である。
【００３８】
次に、エネルギー蓄積装置３７の実施例２を説明する。図３はエネルギー蓄積装置３７の実施例２の説明図であり、図３（ａ）はその基本回路図、図３（ｂ）は他の一例の回路図である。
【００３９】
この実施例２は、図２に示した実施例１における吸収用リアクトル１４と放出用リアクトル１８とを共用にしたリアクトル２１を設けたものである。図３（ａ）において、符号２１はリアクトル、符号２２〜２５はダイオード、符号２６〜２８はＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。
【００４０】
図２に示した実施例１のエネルギー蓄積装置３７と原理的には同じであるが、一般的にリアクトルは大きく重くなる場合が多いため、吸収用リアクトル１４と放出用リアクトル１８とを１個のリアクトル２１に集約し、その代わり３個のスイッチング素子２６〜２８を設け同様な効果を実現したものである。
【００４１】
エネルギー吸収時には、スイッチング素子２６とスイッチング素子２７の双方をオンして、リアクトル２１を介して蓄積用コンデンサ１６を充電する。一方、エネルギー放出時には、スイッチング素子２６およびスイッチング素子２７の双方をオフし、スイッチング素子２８をオンする。そして、蓄積用コンデンサ１６からダイオード２３、リアクトル２１およびスイッチング素子２８で閉回路を形成し放電電流を流す。この放電電流が流れ出したところでスイッチング素子２８をオフし、リアクトル２１のエネルギーをダイオード２４を介して平滑コンデンサ３に充電する。このように、このエネルギー蓄積装置３７では、スイッチング素子は増えるがリアクトルが１個で済むため、スペースや重量的に小型軽量化が可能となる。
【００４２】
次に、図３（ｂ）は、図３（ａ）の回路を一般化して示したものである。図３（ｂ）において、符号２１はリアクトル、符号１６は蓄積用コンデンサ、３１〜３６はダイオード付スイッチング素子である。ダイオード付スイッチング素子３１〜３６は通常使用される三相のインバータ回路素子構成と同じで、その相間にリアクトル２１と蓄積用コンデンサ１６とを接続した構成としている。
【００４３】
エネルギー吸収時にはダイオード付スイッチング素子３１とダイオード付スイッチング素子３６をオンして、平滑コンデンサ３の電荷をリアクトル２１を介して蓄積用コンデンサ１６へ充電する。エネルギー放出時はダイオード付スイッチング素子３２をオンしてリアクトル２１を介して蓄積用コンデンサ１６をダイオード付スイッチング素子３６のダイオードを通して放電し、放電電流が流れ出したところでダイオード付スイッチング素子３２をオフし、リアクトル２１のエネルギーをダイオード付スイッチング素子３１のダイオードを介して平滑コンデンサ３へ供給し充電する。
【００４４】
このエネルギー蓄積装置３７では、ダイオード付スイッチング素子の数は増えるが標準化された三相インバータ回路素子を使用できるので、回路の標準化が進み小容量に対してはメリットがある。
【００４５】
ここで、図１において、急峻な充放電に対しては、図２や図３に示したエネルギー蓄積装置３７にて対応できない場合がある。そこで、そのような場合に対応すべく不足分のエネルギーはバッテリ３８から供給し、さらに不足した場合は電磁接触器３９を投入し整流器２を介して外部電源１から供給する。一方、回生エネルギーはエネルギー蓄積装置３７の外にバッテリ３８にも充電されるので、さらに有効に回生エネルギーを吸収できる。
【００４６】
このように、バッテリ３を組み込むことにより、エネルギー吸収をエネルギー蓄積装置３７のみならずバッテリ３８でも行なうことができ、ロス等による不足分をバッテリ３８からのエネルギー供給で補える。そして、それでも不足した時に外部電源１から供給するので、エネルギー供給を最小限にすることができる。また、深夜の余剰電力を利用してバッテリ３８を充電することが可能であるので、日中の約１／５というコストを生して電気料金の削減と、ピーク電力負荷軽減にも効果がある。なお、ここでは外部電源１を三相電源としたが、供給側は単相でも可能である。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係わる交流エレベータの電源装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、外部電源１および整流器２に代えて太陽電池４０を設け、バッテリ３８の電圧が降下したときには、太陽電池４０からダイオード４１を介してバッテリ３８に電源を供給するようにしたものである。
【００４８】
図４において、外部電源１および整流器２からなる外部電源供給回路の代わりに太陽電池４０を備えることにより、エネルギー不足分を太陽電池４０によりバッテリ３８に供給し、そのエネルギーでエレベータの運転を行なう。ここで、外部電源供給回路の代わりに太陽電池４０を備えるようにしているが、外部電源供給回路に太陽電池４０を追加して設けるようにしても良い。
【００４９】
このように、エネルギー蓄積装置３７により、回生エネルギーを有効に使用しエネルギー消費量を削減するとともに、不足分を太陽電池４０によりバッテリ３８に充電する。これにより、不足分をバッテリ３８から供給してエレベータを円滑に駆動できる。従って、外部電源１からのエネルギーを理想的に零にできるシステムの構築が可能となる。
【００５０】
以上の説明では、エレベータを対象として説明したが、回生運転と力行運転とを繰り返して運転するものに対して適用でき、その量がある範囲内の負荷に関しては、同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる交流エレベータの電源装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態におけるエネルギー蓄積装置の実施例１の説明図であり、図２（ａ）はその回路図、図２（ｂ）はエネルギー吸収の際に形成される回路図、図２（ｃ）はエネルギー放出の際に形成される回路図。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるエネルギー蓄積装置の実施例２の説明図であり、図３（ａ）はその基本回路図、図３（ｂ）は他の一例の回路図。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係わる交流エレベータの電源装置の構成図。
【図５】従来の交流エレベータの電源装置の構成図。
【符号の説明】
【００５２】
１…外部電源、２…整流器、３…平滑コンデンサ、４…回生抵抗器、５…回生用スイッチング素子、６…電圧形インバータ、７…電動機、８…減速機、９…メインシーブ、１０…そらせシーブ、１１…かご、１２…カウンタウエイト、１３…フライボールダイオード、１４…吸収用リアクトル、１５…吸収用スイッチング素子、１６…蓄積用コンデンサ、１７、２２、２３、２４、２５、４１…ダイオード、１８…放出用リアクトル、１９…放出用スイッチング素子、２０…電圧検出器、２１…リアクトル、２６、２７、２８…スイッチング素子、３１、３２、３３、３４、３５、３６ ダイオード付スイッチング素子、３７…エネルギー蓄積装置、３８…バッテリ、３９…電磁接触器、４０…太陽電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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