(57)【要約】通常三相電力で動作する装置（３０、２２）のための電力供給構成（３２、３４）が、単相電力に基づいて動作する能力を有する。１つの開示技術は、単相電源に結合されたリード線間の測定電圧に基づいて直接成分を推定することを含む。直交成分は、直接成分の数値微分に基づいて推定される。直接成分はまた、フィードフォワード制御式に電流調整器にも供給され、これにより誤差が最小になる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相装置に電力を供給するために単相入力電力を使用する変換器装置であって、
単相入力電力に基づく推定直接成分および推定直交成分を使用する位相ロックループ部分を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記推定直接成分をフィードフォワード入力として使用する電流調整器部分を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記位相ロックループ部分が、Ｒ相入力と、Ｓ相入力と、Ｔ相入力と、を有し、前記Ｔ相入力がゼロボルトに設定され、前記ＲおよびＳ相入力が前記単相入力電力のリード線に結合されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記Ｔ相入力を選択的に切り離すスイッチを含むことを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記位相ロックループ部分が、測定された前記単相入力電力の電圧を前記推定直接成分として使用することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記位相ロックループ部分が、前記推定直接成分の数値微分を前記推定直交成分として使用することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記位相ロックループ部分が、前記数値微分の定数倍された形を使用し、前記数値微分に適用される倍率が、前記単相入力電力の周波数に基づいて決定されることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記周波数が５５Ｈｚより大きい場合は、第１の倍率が前記数値微分に適用され、前記周波数が５５Ｈｚより小さい場合は、第２の倍率が適用されることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
単相入力電力に基づいて直接成分および直交成分を推定することを含むことを特徴とする、単相入力電力を使用して三相装置を動作させる方法。
【請求項１０】
前記単相入力電力の測定された電圧に基づいて前記直接成分を推定することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記直接成分の数値微分に基づいて前記直交成分を推定することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
前記単相入力電力の周波数に基づいて前記数値微分を定数倍することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記周波数が５５Ｈｚより大きい場合は第１の倍率を使用し、前記周波数が５５Ｈｚより小さい場合は第２の倍率を使用することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
電流調整用のフィードフォワード入力として前記直接成分を使用して、前記三相装置の動作用に供給される電流を調整することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１５】
三相入力を有する位相ロックループ部分を使用し、前記入力の１つをゼロボルトに結合し、他の２つの入力を前記単相入力電力を供給するリード線にそれぞれ結合することを含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電力制御システムに関する。より詳細には、本発明は、通常三相電力で動作する装置への単相電力の供給に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機はよく知られており、幅広く使用されている。電動機には様々な大きさおよび方式がある。電動機使用の一例は、例えばエレベータかごを昇降路内で上下に推進するために駆動綱車を動かすエレベータ機械の中にある。
【０００３】
近年、回生駆動機がエレベータシステムに導入されている。回生駆動機は、かごおよびカウンタウェイトを昇降路内で第１の方向に移動するために電源から電力を引き出し、かごおよびカウンタウェイトを反対方向に移動させる際に電力を発電して電源に戻す電動機を含んでいる。回生駆動は、かごおよびカウンタウェイトの重さによって必要な移動が生じて駆動機がそれに応じた駆動綱車の移動を許容する限り発電機として機能する電動機の能力を利用する。
【０００４】
このような回生駆動機は、三相電力入力で動作する。三相電力入力が使用可能でないときがある。例えば、エレベータシステムの最初の設置中は、建築現場への三相電力供給は通常利用できない。せいぜい、エレベータシステム設置中は単相電力が利用可能な場合があるにすぎない。多くの場合には、設置中、少なくとも限られたモードでエレベータかごを移動できることが望ましい。難点は、三相電力がないと三相回生駆動機を動作させることができず、したがって、エレベータ設置中に三相回生駆動機を使用できないことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三相電力が利用可能でないエレベータ設置中でも、三相の回生駆動機を利用できることが求められている。三相電力が利用可能でないときでさえ三相装置が有用になる場合は他にもある。本発明は、三相装置を動作させるのに単相電力を供給可能にする必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで開示する、三相装置に電力を供給するために単相入力電力を使用する変換器装置の一実施例は、単相入力電力に基づく推定直接（ｄｉｒｅｃｔ）成分および推定直交（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）成分を使用する位相ロックループ部分を含む。
【０００７】
一実施例では、直接成分は、単相入力電力の測定された電圧に基づいて推定される。直交成分は、推定された直接成分の数値微分に基づいて推定される。一実施例では、数値微分は、入力電力の周波数に基づいて定数倍される（ｓｃａｌｅｄ）。
【０００８】
一実施例では、三相装置に電流を供給するときの誤差を最小化するために、電流調整器部分が、単相入力電力の推定直接成分をフィードフォワード入力として使用する。
【０００９】
ここで開示する構成例により、三相の回生装置を動作させるために単相電力しか利用できないときでも、三相の回生装置の利用が容易になる。
【００１０】
本発明の様々な特徴および利点は、下記の現在のところ好ましい実施形態の詳細な説明から、当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に伴う図面について、以下のように簡単に説明することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、エレベータシステム２０の選択された部分を図式的に示している。駆動機２２は、例えば、エレベータかご２６およびカウンタウェイト２８の、昇降路を通る所望の移動を周知の形で引き起こすためにロープ２４を推進する電動機を含む。この実施例では、駆動機２２は、電動機を、周知の電動機動作原理による発電機モードで電力を供給するために使用できるような、回生式三相機械を含む。この実施例の駆動機２２は、通常の場合は三相電力に基づいて動作する電動機を含む。
【００１２】
制御装置３０は、駆動機２２の電動機を動作させるための制御信号を供給する。制御装置３０は、最終的に三相電源になる電源３２から、電力を受ける。変換器インタフェース３４は、例えば、駆動機の所望の動作を達成するために制御装置３０に提供される、適切な位相を確保する。
【００１３】
エレベータシステムの設置中など、場合によっては、電源３２を三相電源として使用できないことがある。場合によっては、建物建築中、したがって、エレベータシステム設置中に単相電力が使用可能である。この実施例の変換器インタフェース３４は、電源３２が単相電源であるか、三相電源であるかに関係なく使用可能である。変換器インタフェース３４は、制御装置３０および駆動機２２が、エレベータシステム設置中に少なくとも限られたモードで動作できるように、単相電源と三相電源の間の差に対処する形で動作する。ここで開示する実施例の１つの利点は、変換器インタフェース３４が、単相電力に応答して動作するために別個の変換器または別個のハードウェア部品を必要としないことである。その代わりに、変換器インタフェース３４は、電源供給が三相であっても、単相であっても、機械動作に対処する。
【００１４】
図２は、一実施例の変換器インタフェース３４の選択された部分を図式的に示す。フィルタ部分３６は、一般に周知の形で動作する。電流調整器部分３８は、位相ロックループ（ｐｈａｓｅ  ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ）（ＰＬＬ）部分４０に供給される電流を調整することで知られる誘導素子および抵抗素子を有する。母線電圧（ｂｕｓ  ｖｏｌｔａｇｅ）調整部分４２は、駆動機２２を動作させるために制御装置３０に最終的な電流信号を供給する。
【００１５】
図２の変換器インタフェース３４の実施例は通常、電源３２が三相電力（すなわち、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）を供給するときに動作する。図２の実施例は、単相電力への応答によく適した状態で示されている。Ｔ入力４４（すなわち、ＩＧＢＴのＨブリッジＴ入力）が切断されており、電力を受けていない。これは、例えば変換器インタフェース３４内部などにある機械式スイッチ（図示せず）によって行うことができる。したがって、技術者が制御装置３０および駆動機２２を動作させるために単相電力を結合するときは、ＩＧＢＴのレッグのＴ入力４４が電源３２に接続されないように、適切なスイッチを操作することができる。ＰＬＬ部分４０および母線電圧調整器部分４２からの出力は、ＩＧＢＴのレッグのＲ入力４６およびＳ入力４８だけに基づいて動作する。Ｒ、Ｓ入力４６、４８部でＩＧＢＴのＨブリッジのスイッチ機能を設ける制御方式により、単相電力に応答して駆動機２２を動作させることが可能になる。この実施例では、Ｒ入力４６は、単相電力リード線の一方のリード線に結合され、Ｓ入力４８はもう一方のリード線に結合される。
【００１６】
図３は、単相電力を使用する動作のためにスイッチ機能を設ける制御方式の実施例を図式的に示す。基準電圧５０が加算器５２に供給される。一実施例では、基準電圧は７５０ボルトである。基準電圧は、一部には、使用可能な電源に依存することになる。母線電圧調整器部分４２の出力は、制御装置３０に電流を供給する５４部で供給される。出力５４は、加算器５２への負入力に供給される。
【００１７】
加算器５２の出力は、比例積分調整器５６に供給される。比例積分調整器５６の機能は、所望の電流レベルと制御装置３０に最終的に供給される出力電流レベル５４との誤差を取り除くのにどのくらいの電流が必要なのかを示すことである。
【００１８】
比例積分調整器５６の出力は、乗算器５８に供給される。乗算器５８のもう一方の入力は、ＰＬＬ部分４０からのものである。この実施例では、ＰＬＬ部分４０は、入力電力の位相の直交成分の推定を使用する。単相電力が供給され、かつＰＬＬは通常三相電力に基づいて動作するので、動作させるために単相電力を効果的に三相モデルに変換する必要がある。
【００１９】
この実施例では、ＰＬＬは、入力電力の直接成分の位相および直交成分の位相の推定を使用する。一実施例では、入力４６と４８の間の電圧が、従来の技術を使用して検出される。その測定電圧が、直接成分位相の推定として使用される。
【００２０】
直交成分位相は、この実施例では直接成分位相の数値微分をとることによって推定される。一実施例における直交成分の倍率（ｓｃａｌｅ）は、線間電圧（ｌｉｎｅ  ｖｏｌｔａｇｅ）の直接成分位相の数値微分後に調節される。
【００２１】
一実施例では、Ｖd＝Ｖacｓｉｎ（θ）であり、したがってｄ／ｄｔＶd＝Ｖacωlineｃｏｓ（θ）となる。一般に、線路周波数は既知ではないが５０または６０ヘルツになる。この実施例では、位相の直交成分の推定は、推定線路周波数に基づいて数値微分を定数倍することを含み、これはＰＬＬ部分４０によって達成される。一実施例では、周波数が５５Ｈｚより大きい場合は、１／ωline＝１／（２π６０）のゲインが適用される。周波数が５５Ｈｚより小さい場合は、１／ωline＝１／（２π５０）のゲインが使用される。ＰＬＬ部分４０の推定直交成分の位相（すなわち、ｑ軸電圧）は、下記のようになる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
推定直交成分が得られると、位相ロックループ部分４０は三相等価物として動作する。
【００２４】
図３では、ＰＬＬ部分４０からの乗算器５８への出力は、線間電圧と同位相の位相ロックループからの正弦基準出力であり、電流調整器部分３８に電流基準を提供するために、比例積分調整器５６の出力と結合される。
【００２５】
電流調整器部分３８への入力は、加算器６０の正入力に供給される。加算器６０の出力は、比例調整器６２に供給される。比例調整器６２の出力は、加算器６４に供給され、そこでフィードフォワード入力６６と結合される。この実施例では、フィードフォワード入力６６は、ＶＲ＿ＶＳで示される。この電圧は、Ｒ入力４６とＳ入力４８の間の検出された線間電圧と同じである。フィードフォワード入力６６は、電流調整誤差を最小にする能力を電流調整器３８にもたらす。一実施例では、フィードフォワード入力６６は、ＰＬＬ部分４０への入力の直接成分と同じである。
【００２６】
加算器６４の出力は電流調整器素子６８によって一般に周知の方法で処理され、線路電流Ｉ＿ｌｉｎｅになる。
【００２７】
単相電流調整器に対する外乱が一定でないため、単相電流調整器は同期電流調整器と異なる形で動作するので、図３の実施例では、比例積分調整器の代わりに比例調整器６２が設けられている。周知のように、比例積分調整器は一定の外乱を十分によく取り除くが、単相電流調整器の外乱は一定ではない。この実施例では、比例調整器と、外乱として作用し、例えばＲ、Ｓ入力４６、４８に関連付けられた正弦線間電圧に対応するフィードフォワード入力６６との戦略的組み合わせ。フィードフォワード入力６６が電圧外乱を打ち消す場合には、電流調整器３８を図４に示すようにモデル化することができる。
【００２８】
一実施例では、比例調整器６２の帯域幅は比例積分調整器の設計に基づいている。図４に示すように、調整器６２’は、ゲインＫPを有する機能ブロックとしてモデル化される。所望の位相余裕Φm＝６０°が必要とされる要件が与えられるとすると、比例ゲインは、ＫP＝Ｌωc、Ｋi＝ωcＲから解くことができる。ここで所望の帯域幅ωcは、遅延Ｔdおよび所望の位相余裕制約から、式ωc＝（π／２−Φm）／Ｔdを使用して決定することができる。遅延Ｔdは、サンプリング遅延および２分の１パルス幅変調周期を含む。比例調整器６２’の帯域幅としてωcを使用すれば、比例ゲインＫPは以下のように決定される。
【００２９】
閉ループ伝達関数は、下記のようになる。
【００３０】
【数２】
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【００３１】
このとき、下記のようになる。
【００３２】
【数３】
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【００３３】
この実施例では、Ｌは、三相等価物のインダクタンスの２倍である。その結果得られる位相余裕は、比例調整器の場合６０°より大きくなる。より高い帯域幅が望ましい場合は、より高い帯域幅を得るためにより小さい位相余裕を使用する方法を、この説明の利益を有する当業者ならば認識するであろう。
【００３４】
電流調整器３８の出力は、母線電圧調整器４２内部の乗算器８０に供給される。乗算器８０へのもう一方の入力８２は、実際の線間電圧測定値である。乗算器８０の出力は、負荷電力入力８６が負入力に入る加算器８４に供給される。一般に周知の形でＤＣ母線電圧調整を達成する調整器機能ブロック８８が示されている。この実施例では、制御装置３０は単相入力に応答して動作し、母線電圧調整器はその目的に適した出力を供給する。この実施例では、以下の式が当てはまる。
【００３５】
【数４】
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【００３６】
単相電源を使用する入力電力は正弦波であり、したがってこの実施例では、母線電圧に平均値が使用される。一実施例では、平均は０．５（ＶacＩ）である。ここで、Ｖacはピーク電圧、Ｉは線路電流の振幅である。したがって、母線電圧ＰＩ調整器の設計は、以下の関係に基づくことができる。
【００３７】
【数５】
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【００３８】
一実施例では、ＤＣ母線電圧調整器４２を図５に図式的に示すようにモデル化することができる。図５に示す関係は、比例ゲインＫPおよび積分ゲインＫiを含む。これらは、以下の関係に基づいて決定することができる。
【００３９】
一実施例では、電流調整器帯域幅はＤＣ母線電圧調整器帯域幅よりも大きいので、交差周波数における開ループ伝達関数は以下を満たす。
【００４０】
【数６】
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【００４１】
大きさの式からは、
【００４２】
【数７】
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【００４３】
位相の式からは、
【００４４】
【数８】
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【００４５】
となる。これら２つの式からＫPおよびＫiを下記のように解くことができる。
【００４６】
【数９】
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【００４７】
一実施例では、単相電力に応答して駆動機２２を制御するのに有用な形で電流を制御装置３０に供給するために、パルス幅変調が使用される。一実施例では、Ｒ入力４６とＳ入力４８に適用されるパルス幅変調切換機能は相補的である。この実施例では、Ｒ入力４６が正の母線に接続され、Ｓ入力４８が負の母線に接続される。このようにして、母線から使用可能な電圧範囲を完全に利用することができる。
【００４８】
パルス幅変調方式の一実施例は、デューティ比ｄ（範囲は０〜１）を使用することを含む。この実施例で値０は、関連する位相が、全パルス幅変調周期の間、負の母線に接続されることを意味する。この実施例で値１は、関連する位相が、全パルス幅変調周期の間、正の母線に接続されることを意味する。一実施例ではｄr＝Ｖ*／２Ｖbus＋０．５の関係が有用である。これはＲ入力４６のデューティ比である。ｄrはＲ入力４６が搬送波周期中にオンになっている期間を表す。Ｖ*は、パルス幅変調発生器に供給される上述のフィードフォワード項を含む電圧基準である。ｄsは、Ｓ入力４８のデューティ比であり、１−ｄrとして表すことができる。この実施例では、０ボルトがＴ入力４４に供給されるように、０．５のデューティ比ｄtがＴ入力４４に与えられるのが好ましい。
【００４９】
単相電圧に基づく位相の直交成分および直接成分の推定を利用することによって、ここで開示する実施例を用いると、三相電力用に設計された構成を使用して単相電力入力でも動作させることが可能になる。位相のＤ軸すなわち直接成分を電流調整器にフィードフォワード式に供給することによって、誤差が最小になり、ここで開示する実施例の単相電力に基づく動作が可能になる。
【００５０】
エレベータシステムの駆動機に電力を供給する文脈で開示の実施例を説明したが、本発明はエレベータシステムに限定されるとは限らない。
【００５１】
上記の説明は、限定的なものではなく例示的な性質のものである。本発明の本質から必ずしも逸脱することのない、開示の実施例への変形および変更が当業者には明らかになるであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】三相装置を組み込むエレベータシステムの選択された部分および本発明の実施形態に従って設計された電力供給構成の概略図。
【図２】本発明の実施形態と共に有用な変換器インタフェースの実施例の選択された部分の概略図。
【図３】本発明の実施形態と共に有用な単相制御方式の実施例の概略図。
【図４】本発明の実施形態と共に有用な電流調整器モデルの実施例の概略図。
【図５】本発明の実施形態と共に有用な電圧調整器モデルの一実施例の概略図。
【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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