(57)【要約】【課題】永久磁石同期モータ制御において、電力変換器短絡故障における磁石減磁を抑制する速度制御を提供する。【解決手段】永久磁石モータ１でエレベータ等を駆動するシステムにおいて、モータ内部の磁石温度を検出又は電流検出器４１の出力から推定し、その温度の下で、電力変換器のスイッチング素子故障を仮定した場合にモータ回転速度より算出可能なモータ巻線の短絡電流値から、短絡電流値が耐減磁電流値以下の範囲となるように、最高速度を制限する。【効果】永久磁石モータの減磁を未然に防止でき、エレベータにあっては、減磁に起因するオーバーランや、端階での安全装置による急減速を回避することができる。【選択図】図１
2009005553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ内部に永久磁石を埋め込んだ永久磁石モータと、この永久磁石モータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出器と、半導体スイッチング素子を含んで構成され前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、速度指令と前記磁極位置検出器の出力を入力し、前記電力変換器から前記永久磁石モータに可変電圧・可変周波数の三相交流を供給するためのＰＷＭ信号を演算し生成する演算部と、前記ＰＷＭ信号に基き前記電力変換器の前記半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路を備えた永久磁石モータ制御方式において、前記永久磁石モータの前記磁石の温度を検出または推定により判定する磁石温度判定手段と、判定した前記磁石の温度に応じて前記永久磁石モータの回転速度を制限する回転速度制限手段を備えたことを特徴とする永久磁石モータの制御方式。
【請求項２】
永久磁石モータと、モータ内部に備えた磁石の位置を検出する位置検出器と、半導体スイッチング素子を含んで構成され前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、モータ回転速度またはトルクなどの指令値と前記位置検出器の出力情報とにより、前記電力変換器から前記モータに供給する電圧，周波数，および位相を演算しＰＷＭ信号を生成する演算部と、前記ＰＷＭ信号に基き前記電力変換器の前記半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路を備えた永久磁石モータ制御方式において、前記永久磁石モータの前記磁石の温度を検出する温度検出器と、検出した磁石温度に応じてモータ回転速度を制限する速度制限手段を備えたことを特徴とする永久磁石モータの制御方式。
【請求項３】
請求項１または２において、前記速度制限手段は、磁石温度が高いほど制限速度を低く抑えることを特徴とする永久磁石モータの制御方式。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記速度制限手段は、磁石温度が予定の温度を超えたとき最高速度を制限する手段を備えたことを特徴とする永久磁石モータの制御方式。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記磁石温度判定手段は、前記永久磁石モータの電流を検出するモータ電流検出器と、検出したモータ電流の積算に基づいて前記永久磁石モータの磁石の温度を推定する推定手段を備えたことを特徴とする永久磁石モータ制御方式。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記回転速度制限手段は、前記永久磁石モータの固定子巻線の相間が短絡された際に流れる短絡電流の予測値が、前記永久磁石の耐減磁特性範囲内となるように前記永久磁石モータの回転速度を制限することを特徴とする永久磁石モータ制御方式。
【請求項７】
請求項６において、短絡電流の前記予測値は、前記電力変換器内の前記半導体スイッチング素子の異常によって前記永久磁石モータの相間が短絡された場合の短絡電流の予測値であること特徴とする永久磁石モータ制御方式。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかにおいて、上記回転速度制限手段は、モータ回転速度に応じて決まるモータ端子間誘起電圧が、前記電力変換器内の前記スイッチング素子の短絡故障部とモータ巻線とで構成される短絡回路に印加されたときの短絡電流を算出し、この短絡電流算出値が、前記磁石の温度判定値と磁石耐減磁特性とから求まる耐減磁電流以下となるモータ速度を上限速度として、前記永久磁石モータの速度指令を制限する手段を備えたことを特徴とする永久磁石モータの制御方式。
【請求項９】
永久磁石モータと、モータ内部に備えた磁石の磁極位置を検出する磁極位置検出器と、半導体スイッチング素子を含んで構成され前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、速度指令と前記磁極位置検出器の出力を入力し、前記電力変換器から前記永久磁石モータに可変電圧・可変周波数の三相交流を供給するためのＰＷＭ信号を演算し生成する演算部と、前記ＰＷＭ信号に基き前記電力変換器の前記半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路を備えた永久磁石モータ制御方法において、前記永久磁石モータの前記磁石の温度を検出または推定により判定する磁石温度判定ステップと、判定した前記磁石の温度に応じて前記永久磁石モータの回転速度を制限する回転速度制限ステップを備えたことを特徴とする永久磁石モータの制御方法。
【請求項１０】
ロータ内部に永久磁石を埋め込んだエレベータを駆動する永久磁石モータと、この永久磁石モータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出器と、半導体スイッチング素子を含んで構成され前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、エレベータの速度指令と前記磁極位置検出器の出力を入力し、前記電力変換器から前記永久磁石モータに可変電圧・可変周波数の三相交流を供給するためのＰＷＭ信号を演算し生成する演算部と、前記ＰＷＭ信号に基き前記電力変換器の前記半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路を備えたエレベータの制御方式において、前記永久磁石モータの前記磁石の温度を検出または推定により判定する温度判定部と、判定した前記磁石の温度に応じて前記エレベータの速度を制限する速度制限手段を備えたことを特徴とするエレベータの制御方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを用いた永久磁石モータの制御方式および方法、並びにエレベータの制御方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石モータの減磁特性に関する制御法として、減磁を考慮した高精度トルク制御（特許文献１、特許文献２）や、周辺回路部品へのストレス軽減を目的とした最高回転数制限制御（特許文献３）がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平８―３３１９００号公報
【特許文献２】特開平９―５１７００号公報
【特許文献３】特開平５―２９２７８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来方式は、永久磁石の減磁を考慮した制御であるが、例えば、エレベータの駆動モータとして永久磁石モータを採用した近年のエレベータ制御装置においては、永久磁石モータの減磁は、エレベータの運転にとって、危険を伴うことが考えられる。すなわち、エレベータの重負荷下降や軽負荷上昇のように、目的階の正規着床位置に停止させるために大きなブレーキトルクを必要とするときに、永久磁石モータに大幅な減磁が生じているとブレーキトルクが不足することが考えられる。この場合、正規の着床位置をオーバーランする惧があり、終端階においては、安全装置によって急激に停止し、乗客にショックを与える惧がある。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、永久磁石モータの減磁自体を抑制できる永久磁石モータの制御方式または方法を提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、永久磁石モータを駆動モータとするエレベータの安全を確保できるエレベータの制御方式を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
永久磁石モータの減磁が発生するケースとして、電力変換器が短絡故障し、モータの誘起電力による過電流が流れた場合、最悪の場合には減磁に至ることが考えられる。
【０００８】
耐減磁電流は、磁石温度で決まることから、減磁抑制のために、冷却ファン等を取付けるなどの冷却構造を採用するか、又は、モータの運転間隔を低減するなどして磁石温度上昇を抑制することが考えられる。このため、冷却構造や運転間隔に応じた耐熱設計が必要である。
【０００９】
そこで本発明は、ロータ内部に永久磁石を埋め込んだ永久磁石モータと、この永久磁石モータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出器と、半導体スイッチング素子を含んで構成され前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、速度指令と前記磁極位置検出器の出力を入力し、前記電力変換器から前記永久磁石モータに可変電圧・可変周波数の三相交流を供給するためのＰＷＭ信号を演算し生成する演算部と、前記ＰＷＭ信号に基き前記電力変換器の前記半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路を備えた永久磁石モータ制御において、前記永久磁石モータの前記磁石の温度を検出または推定により温度を判定し、判定した前記磁石の温度に応じて前記永久磁石モータの回転速度を制限することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の特徴とするところは、ロータ内部に永久磁石を埋め込んだエレベータを駆動する永久磁石モータと、この永久磁石モータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出器と、半導体スイッチング素子を含んで構成され前記永久磁石モータに電力を供給する電力変換器と、エレベータの速度指令と前記磁極位置検出器の出力を入力し、前記電力変換器から前記永久磁石モータに可変電圧・可変周波数の三相交流を供給するためのＰＷＭ信号を演算し生成する演算部と、前記ＰＷＭ信号に基き前記電力変換器の前記半導体スイッチング素子に駆動信号を出力する駆動回路を備えたエレベータの制御方式において、前記永久磁石モータの前記磁石の温度を検出または推定により判定する温度判定部と、判定した前記磁石の温度に応じて前記エレベータの速度を制限する速度制限手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の望ましい実施態様においては、永久磁石モータの減磁自体を抑制できる永久磁石モータの制御方式または方法を提供することができる。
【００１２】
本発明の他の望ましい実施態様においては、永久磁石モータを駆動モータとするエレベータの安全を確保できるエレベータ制御方式を提供することができる。
【００１３】
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例による永久磁石同期モータを駆動モータとするエレベータの制御方式の制御ブロック図である。永久磁石モータ１の制御構成は、まず、モータ１の回転子部に備えられた磁石１ａの磁石位置を検出するエンコーダ等の位置検出器２と、永久磁石モータ１の磁石１ａの温度又はモータ巻線１ｂの温度を検出する温度検出器３を備えている。ここで、位置検出器２は、そのコード化された出力に基き、回転子の回転速度を検出するためにも用いられる。
【００１６】
主回路としては、交流電源４の交流を可変電圧・可変周波数の交流に変換し、永久磁石モータ１に供給する電力変換器５を備えている。電力変換器５は、交流電源４の交流を直流に変換する整流回路５ａ、平滑コンデンサ５ｂ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子５ｃで構成されたインバータ５ｄからなる。
【００１７】
制御回路として、まず、インバータ５ｄの各半導体スイッチング素子５ｃの導通・遮断を制御する制御駆動回路６を有する。この制御駆動回路６を制御する制御系を構成する演算制御部７としては、まず、位置検出器２の信号から磁石位置及び回転速度を演算する磁極位置兼速度演算部７ａ、温度検出器３の信号から磁石温度を演算する磁石温度演算部７ｂを備えている。次に、磁石温度演算部７ｂの温度演算値より耐減磁速度制限指令ωＬ＊を出力する耐減磁速度演算部７ｃと、その耐減磁速度制限指令ωＬ＊と外部又はマイコン等による速度指令ω＊を比較し、耐減磁範囲に制限した速度指令ω＊＊を出力するリミッタ７ｄを備えている。ここで制限された速度指令ω＊＊と磁極位置兼速度演算部７ａの速度検出値ωの差分信号Δωから、ＰＩ制御等によりトルク指令を得る速度偏差／トルク指令変換部７ｅを備えている。このトルク指令を電圧指令に変換するトルク／電圧指令変換部７ｆと、さらに、この電圧指令からＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ変調部７ｇからなる。この演算制御部７により、電流指令、最終的にモータに印加する電圧指令を算出し、この電圧指令と三角波形状の搬送波とを比較するＰＷＭ制御を実施することで、電力変換器５の各スイッチング素子５ｃの導通・遮断信号を制御駆動回路６に出力する。このようにして、変換器５から可変電圧・可変周波数の交流を永久磁石モータ１に供給してそのトルク・速度等を制御する構成である。
【００１８】
エレベータの駆動系は、永久磁石モータ１にて回転駆動されるシーブ８と、このシーブ８につるべ状に吊られた乗りかご９とカウンターウエート１０を備えている。
【００１９】
図２は、本発明の一実施例における耐減磁速度演算部７ｃ内での短絡電流算出等価回路である。モータ巻線１ｂに流れる短絡電流は、電力変換器５のインバータ５ｄ内のスイッチング素子５ｃの短絡故障を想定し予測算出する。モータ１が回転駆動している状態において、スイッチング素子５ｃの１箇所５ｃ１が短絡故障した場合、短絡故障箇所５ｃ１とモータ配線及びモータ１の巻線抵抗２０及びインダクタンス２１で短絡回路が構成され、ここにモータ磁石１ａの鎖交磁束により生じる誘起電圧２２（Ｅ）が印加されて短絡電流ｉが流れる。
【００２０】
モータ巻線１ｂに生じる誘起電圧Ｅは、（１）式に示すように、磁石１ａの磁束密度により決まる誘起電圧定数ｋと、モータ回転速度ωの積より算出できる。
【００２１】
Ｅ＝ｋω…………………………………………………………………………………（１）
また、抵抗２０（Ｒ）及びインダクタンス２１（Ｌ）は、モータ定数から既知であり、モータ回転速度に応じて発生する短絡電流値ｉは、（２）式により予測演算できる。
【００２２】
ｉ＝Ｅ／（Ｒ＋ｊωＬ）………………………………………………………………（２）
この関係に基き、インバータ５ｄに短絡が生じた時の、モータ速度−短絡電流特性３２（図３）を、耐減磁速度演算部７ｃに予め格納しておく。これによって、検出された磁石温度Ｔ１から、制限すべきモータ回転速度ωＬ＊が求められる。
【００２３】
このようにして、永久磁石モータ１内の磁石１ａの温度が高くなるほど、モータ回転速度ωの制限速度ωＬ＊は低く抑えられ、永久磁石モータ１の減磁という最悪の事態を回避しつつ、安全にエレベータの運転を継続することができる。
【００２４】
図３は、本発明の一実施例による耐減磁速度演算部７ｃの耐減磁許容速度制限指令演算の流れを示す図である。温度検出器３及び温度演算部７ｂから検出・演算する磁石温度Ｔ１と、モータの耐減磁温度−電流特性３１から、耐減磁電流ｉ１を求める。耐減磁電流ｉ１と、インバータ５ｄ内で短絡故障が生じた時のモータ速度−短絡電流特性３２から、耐減磁許容速度ωＬを算出する。算出した耐減磁許容速度ωＬに対して、モータ速度及び磁石温度の検出・演算誤差を含めた速度指令裕度Δω（マージン）を持たせた耐減磁速度制限指令ωＬ＊を出力する。そして、速度指令ω＊を、リミッタ７ｄにより、前記の耐減磁速度制限指令ωＬ＊を上限とするように修正した速度指令ω＊＊を得る。
【００２５】
これにより、スイッチング素子５ｃの短絡故障時においても、モータ１の磁石１ａの減磁を防止することが可能となる。
【００２６】
この実施例では、磁石の温度に応じて、制限速度が連続的に変化することとなり、効果的に、永久磁石モータの減磁の惧をなくしている。しかし、永久磁石モータの磁石の温度が予定値を上回ったことを予測あるいは検知したとき、最高速度を制限するようにすることによっても、同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００２７】
図４は、本発明の他の実施例による永久磁石同期モータを駆動モータとするエレベータの制御方式の制御ブロック図である。
【００２８】
図１の実施例１では、磁石１ａの温度を直接的に、温度検出器３で検出したが、この実施例２においては、インバータ５ｄからモータ１に流れるモータ電流を検出する電流検出器４１を備え、その積算に基いて磁石１ａの温度を推定する。モータ制御では、電流制御のために、変流器やホール素子などを備えた電流検出器４１を用いるのが一般的である。そこで、この電流検出器４１の出力を電流実効値演算部７ｈに入力し、モータ巻線１ｂに流れる電流実効値を演算し、磁石温度演算部７ｂにおいて、前記電流実効値とモータ巻線抵抗値Rとから、下記するようにモータ内部の発熱量を逐次演算する。
【００２９】
図５は、本発明の実施例２における耐減磁許容速度制限指令演算の流れを示す図である。まず、予め、モータ熱試験やシミュレーションなどから、モータ電流に対するモータ内部の発熱量Ｊ１を発熱量演算部５１で演算する。次に、発熱量Ｊ１に対するモータ内部の温度飽和特性、及びモータ磁石１ａの温度を測定し、発熱量に対する磁石１ａへの熱伝播係数特性５２を用いて熱伝播係数Ｐ１を求める。ここで求めた熱伝播係数を利用して、前記発熱量Ｊ１に対する磁石温度Ｔ１を、発熱量Ｊ１−磁石温度Ｔ１特性５３により逐次推定することで、磁石温度検出器を省略した磁石温度Ｔ１の推定ができる。
【００３０】
このようにして得られた磁石の温度に基き、実施例１と同様の要領で耐減磁速度制限速度指令ωＬ＊を求め、エレベータの最高速度を制限する。
【００３１】
以上述べた本発明の実施例によれば、永久磁石モータを耐減磁範囲内で運転できるように速度制限するため、電力変換器が短絡故障した場合であっても、モータの永久磁石が減磁することは無い。
【００３２】
したがって、エレベータの駆動モータとして永久磁石を用いた場合には、正規の停止位置に停止制御でき、減磁に起因するオーバーランや、端階での安全装置による急停止を避けることができる。
【００３３】
また、本速度制限に対して影響が少ない用途に対しては、磁石減磁の防止に特化した高価な冷却構造や運転間隔の制限を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例による永久磁石同期モータを駆動モータとするエレベータの制御方式の制御ブロック図である。
【図２】本発明の一実施例における耐減磁速度演算部７ｃ内での短絡電流算出等価回路である。
【図３】本発明の一実施例による耐減磁速度演算部７ｃの耐減磁許容速度制限指令演算の流れを示す図である。
【図４】本発明の他の実施例による永久磁石同期モータを駆動モータとするエレベータの制御方式の制御ブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例による耐減磁速度演算部７ｃの耐減磁許容速度制限指令演算の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…永久磁石モータ、１ａ…磁石、１ｂ…モータ巻線、２…位置検出器、３…温度検出器、４…交流電源、５…電力変換器、６…制御駆動回路、７…演算制御部、７ａ…磁極位置兼速度演算部、７ｂ…磁石温度演算部、７ｃ…耐減磁速度演算部、７ｄ…リミッタ、７ｈ…電流実効値演算部、８…シーブ、９…乗りかご、１０…カウンターウエート、２０…巻線抵抗、２１…インダクタンス、３１…耐減磁温度−電流特性、３２…短絡故障下のモータ回転速度−短絡電流特性。
【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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