電気二重層キャパシタを用いた誘導電動機回生電力蓄電装置
学生員

加藤康平＊

正員

辻俊明

正員

阿部茂

（埼玉大学）

Regenerative Energy Storage System for an Induction Motor using Electric Double Layer Capacitors
Kohei Kato＊, Student Member, Toshiaki Tsuji, Member, Shigeru Abe, Member (Saitama University)
The authors have studied a technique for accumulating regenerative energy from an elevator with Electric Double Layer
Capacitor (EDLC). Existing energy storage systems for elevators use Nickel-metal hydride batteries, however, their lifetime isshorter than EDLC. Hence, EDLC is introduced in the proposed storage system. An energy storage system with EDLC needs
more consideration about control and motor efficiency since its terminal voltage varies with charge and discharge. An
experimental system is developed with an induction motor and flywheel. The system is a 1/10 inertia model of EDLC
accumulation elevator. Its performance is verified with experiment.
キーワード：電気二重層キャパシタ，誘導電動機，エレベータ，回生電力
Keywords：Electric Double Layer Capacitor, Induction Motor, Elevator, Regenerative Energy

以下，2 章で電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータの構

1. まえがき成とエレベータのモデル化，3 章で回転数制御方式，4 章で電気二重層キャパシタ（EDLC）は，寿命が 10 年以上と(1)

電解コンデンサに蓄電した場合の実験結果と結果の検討お長く，出力密度も二次電池より一桁高い という特長をもっよびインバータ＋モータ効率の検証，5 章で EDLC に蓄電している。この特長を生かし，瞬低補償装置や上海のトロリた場合の実験結果，6 章で結論を述べる。

ーバスの蓄電装置などに用いられている。
我々は EDLC をエレベータに用い，蓄電装置の長寿命化と省エネ率の向上を図る EDLC 蓄電式エレベータを研究し

2. 電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータ〈2･1〉 EDLC と二次電池の比較二次電池と比較している。モータの電力回生時に EDLC に充電し，力行時にた EDLC の長所は，寿命が 10 年以上と長く出力密度が高い再利用する。EDLC は整流器とインバータ間の直流部に直結ことである。現在，二次電池はリチウムイオン電池が主流し，充放電による EDLC の電圧変化を利用して交流電源ととなりつつあるが，これは故障時に発火の恐れがありエレEDLC 電源を切り替える方式である。これまでにシミュレーベータには適さない。ニッケル水素電池を用いた省エネエタを構築して EDLC 充放電効率(2)やエレベータ省エネ率(3)レベータは実用化されているが，省エネ率が 20〜31%と低を算出し，その可能性を確認してきた。今回，小型のエレく(4)電池寿命もあるため普及していない。EDLC を用いれベータ模擬装置（1/10 モデル）を用いた実験を行い，シミ

ば，省エネ率の向上，蓄電装置の長寿命化・保守の低減がュレータによる検討に問題がないかを検証した。

期待できる。

最近のエレベータは永久磁石同期電動機のベクトル制御〈2･2〉 EDLC 蓄電式エレベータのシステム構成

電が一般的であるが，実験では簡単のため誘導電動機のすべ

気二重層キャパシタ蓄電式エレベータのシステム構成を図り周波数制御を用いた。実験の結果，以下の点が明らかに

1 に示す。EDLC を直流部に直結するため，EDLC の充放電なった。
（１）直流部すなわち EDLC の電圧が充放電によっによって直流電圧 Vd が変化する。エレベータのかごと釣りて大きく変化しても，モータの速度フィードバック制御が合いおもりはロープで結ばれ，かごに定員の 1/2 の乗客が乗有効に働き，モータ回転数は目標値に追従する。
（２）シミ車した際に釣り合いおもりとかごがバランスする。

ュレータではモータとインバータの効率をそれぞれ 95%で
(3)〈2･3〉 エレベータの 1/10 モデル

表 1 に示す住宅用一定と仮定していたが ，実験では誘導電動機が小形のためエレベータ（9 人乗り，速度 90m/min）の 1/10 モデルを，フか，回転数が低い時のモータ効率が悪い。
（３）すべり周波ライホイール付きモータで模擬した。エレベータの運転を数制御の制御方式により，回生電力すなわち EDLC 電圧変正確に模擬するには，かごと釣り合いおもりの重量アンバ化が大きく変わる。

ランスによるトルクを再現するためにもう一つモータが必表1階数−１ N

エレベータの仕様
階間距離 FD6

加速度 a0.55m/s

定員乗車時の乗客重量 MP600kg

23.5m

定員 n9

かご重量 MC600kg

900kg

機械系の効率 η0.80

Revolution [rpm]

M

1000
800
600H8/3052F

400
20000246Time [s]8

Vd 230V〜400V
Vd0 230V

Revolution Pattern fp

MCMCWMP

図11.5m/s

おもり重量 MCWVdEDLC

定格速度 v

Patternfifp

EDLC 蓄電式エレベータ

f*K=1.5fm

V* ( f *)

fm

P

V*PWM
Inverterf * [Hz]

Induction
MotorEncoder

要となる。今回は簡単のため，乗客数が定員の 1/2 で常に一図4定であると仮定し，重量アンバランスがないとする。実機

回転数制御方式の重量 1/10 モデルは，かご重量 MC =60[kg]，乗客重量 MP=30[kg]，釣り合いおもり重量 MCW =90[kg]となる。これらの運動エネルギーES は次式で表される。
ES = 1 ( M C + M P + M CW ) v 2 =202.5 [J] ...................... (１)2

4. 電解コンデンサ蓄電実験結果〈4･1〉 電圧変化時のインバータ動作

フライホイールとモータの慣性モーメントを J，フライホイールの回転角速度をω とすると回転エネルギーEF は
EF = 1 J ω 2 ................................................................. (２)2電圧上昇幅を大きくするために EDLC より容量の小さい電解コンデンサでまず実験した。回路を図 5 に示す。図 3 の回転数を目標値として図 4 の制御系で回転数を制御したときの実験結果を図 6 に示す。フライホイール減速時に回生電力により直となる。ES と EF が等しくなるようにエレベータ模擬実験装

流電圧 Vd が最低電圧 Vd0 から上昇する。速度フィードバッ置を設計した。実験装置は J=0.0497[kg･m ]のフライホイー

クにより，直流電圧が上昇してもインバータの PWM 制御がルとモータを用い，定格角速度を ω =90.3[rad/s]=862[rpm]と適応して回転数が目標値に追従している。電解コンデンサした。エレベータの速度パターンを図 2 に，それに対応しに蓄積された回生エネルギーは最大 32J である。回転エネルた実験装置の回転数を図 3 に示す。

ギー203J の 16%に相当する。回転エネルギーに比べて回生

2エネルギーが小さい理由を次節で考察し，対策を検討する。

3. フライホイールの回転数制御〈4･2〉

電圧指令値と回生電力〈4･1〉の実験では〈2･2〉で述べたように，EDLC 蓄電式エレベータでは

図 4 中の V*( f *)関数を次の V/f パターン 1 とした。V*( f *)EDLC の充放電によって直流電圧が変化する。電圧が変化し関数は PWM 信号波（正弦波）の振幅に相当する電圧指令値ても回転数が図 3 の目標回転数になるようにフィードバッである。信号波を振幅 1 の三角波と比較して PWM 信号を作ク制御を行う必要がある。今回は図 4 に示すすべり周波数成する。

制御により回転数を制御した。図 4 中の V*は電圧指令値で（１）V/f パターン 1f * +17V * ( f *) =，ただし f * >31.9 のときは f *=31.950ある。f *[Hz]は周波数指令値で，負の値は考えない。すべり周波数制御は演算が簡単で 8 ビットマイコン（H8）1 個で計算できる。また同じマイコンで V*と f *から三相 PWM インバータのゲート駆動信号を発生する処理も行っている。
図 4 の点線内がマイコンのプログラム部分である。
Revolution [rpm]Velocity [m/s]

21.5
10.5002

図2エレベータ速度46Time [s]パターン 1 は，いわゆる V/f 一定とする電圧指令値である。
V*( f *)を上記のパターン 1 とした場合の実験結果が図 6 である。図 6 の指令回転数から周波数を計算し，V*( f *)を描くと図 7 の破線，V/f パターン 1 に示す台形となる。

1000800600
400008

図3MC200246Time [s]8フライホイール回転数

図5実験回路

F400

800
300

600
400

Pattern Rev.
Flywheel Rev.
Command Rev.
DC Voltage

20000246Time [s]200

電圧指令値を上記のようにとると，V*( f *)関数は図 7 の

DC Voltage [V]Revolution [rpm]10001008V/f パターン 2 となる。この場合の実験結果を図 8 に示す。
電解コンデンサに蓄積された回生エネルギーは最大 73J である。回転数は目標回転数に追従し，回生エネルギーはパ
ターン 1 の場合の 2.3 倍となった。
〈4･3〉 シミュレーションによる検討

前節において，直流電圧 Vd が変化しても回転数フィードバックにより実際の回転数が目標回転数に追従することを示した。回生時のモータへの機械的入力は V/f パターンによらず同じであ

図 6 回転数と直流電圧変化（V/f パターン 1）るが，パターン 1 と 2 で回生エネルギーが大きく変わった。
この原因を調べるため回路シミュレータ PSIM で解析を行った。インバータ出力電流を図 9 に示す。図 9(a)は V/f パ

10.2V/f Pattern 1V/f Pattern 200246Time [s]図78800は，〈4･1〉に示したように回生エネルギーが回転エネルギーの 16%と少ない。電圧指令値と周波数の比を一定としても，回生電力により直流電圧が上昇するためモータの端子電圧と周波数の比は一定とならない。直流電圧を検出してフィードバックする手法もあるが，本論文ではフィードバックを省き電圧指令値を変えてモータ端子電圧と周波数の比をほぼ一定とする手法を採用する。電圧指令値を以下のV/f パターン 2 とする。

400Pattern Rev.
Flywheel Rev.
Command Rev.
DC Voltage

20000220-2-40

A = 10 ，ただし f * >38.9 のときは f *=38.9
10 f *
B = 145 −，ただし B<50 のときは B=503f *≦7.5

A = 10B = 44 + 10 f *回生電力で電圧が上昇するのは減速時のみであるため，加速と定速走行の際は V*( f *)をパターン 1 と同じとする。停止時はトルクを大きくしてフライホイールを停止させるために V*( f *)の値を大きくする必要がある。

Output Current [A]f * >7.5

246Time [s]8(a) V/f パターン 1・ 加速〜定速走行時
B = 5010084A，B は以下のようにとる。いずれも V* ( f *) <1 である。
A = 17 ，ただし f * >31.9 のときは f *=31.946Time [s]200

図 8 回転数と直流電圧変化（V/f パターン 2）（２）V/f パターン 2
f *+A...................................................... (３)V * ( f *) =B

・ 停止時

300

600

V/f パターン

電圧指令値と周波数の比を一定とする V/f パターン 1 で・ 減速時

400

DC Voltage [V]

0.4

1000

Output Current [A]V *( f *)0.6

Revolution [rpm]ターン 1 の場合の電流，(b)はパターン 2 の場合の電流であ0.8420-2-40246Time [s]8(b) V/f パターン 2
図 9 インバータ出力電流（シミュレーション値）0.1

U=V/f Pattern 1
V/f Pattern 20.08をωmax として回転数ω のとき
1U = Jη ωmax 2 − ω 2 ................................................(５)2となる。η はインバータ＋モータの効率である。（４）式と（５）式が等しいことから，
1
1C Vd 2 − Vd 0 2 = Jη ωmax 2 − ω 2 .........................(６)22と書ける。（６）式を変形すると，η は次式となる。

(0.040.02

const.

00246Time [s]η=80(J (ω)()) .....................................................(７)−ω )C Vd 2 − Vd 0 22max

2〈4･2〉の 2 つの V/f パターンについて，実験結果から（７）V/f Pattern 1V/f Pattern 260)

(8図 10 端子電圧の上昇割合と周波数の比Efficiency [%])である。直流部に回生される回転エネルギーは最大回転数0.06

式を用いて計算した回生時のインバータ＋モータの効率を
図 11 に示す。V/f パターン 2 の方がパターン 1 より効率が高い。インバータ＋モータの効率は V/f パターン 2 の最高値で4060%程度であり，回転数が減少すると 20%台まで低下した。

2000

まえがきに述べた従来の検討のように，回転数によらず効率を一定と仮定することは適切でないことがわかる。

200 400 600
Revolution [rpm]

8005.

400

800
300

600
400

Pattern Rev.
Flywheel Rev.
Command Rev.
DC Voltage

20000246Time [s]200

EDLC は 1F の製品（ELNA DZN-2R5D105T）を 140 個直列で用いた。

DC Voltage [V]1000

EDLC 蓄電実験結果

電解コンデンサと並列に EDLC を接続して実験を行った。

図 11 インバータ＋モータの効率（回生時）

Revolution [rpm](1C Vd 2 − Vd 0 2 ...................................................(４)21008

図 12 回転数と直流電圧変化（EDLC 蓄電時）

V*( f *)関数を〈4･2〉の V/f パターン 2 としたときの回転数変化と直流電圧変化を図 12 に示す。EDLC を加えると，電解コンデンサのみの場合に比べ静電容量が大きくなるた
め電圧変化幅は小さい。回生エネルギーは 105J である。

6. 結論
EDLC 蓄電式エレベータの力行・回生運転時の速度制御特性と EDLC の電圧変化を実験で検証した。実物の 1/10 モデルで小形誘導電動機のすべり周波数制御を用いた実験ではあるが，EDLC の電圧変化に対しても速度制御系があれば対応できること，モータの回転数が低い時のモータ効率に注る。力行時の電流は両パターンとも同じ値であるが，回生意すべきこと，すべり周波数制御では回生効率が高くなる時の電流はパターン 2 の方が小さい。電圧指令値 V*を下げ制御方式を採用すべきであることなどが明らかになった。

ることで電流が小さくなった。このためモータの銅損が減少し，回生電力が増加したと考えられる。

2 種類の V/f パターンについて，シミュレーションにおける「電圧指令値 V*と直流電圧の上昇割合 Vd/Vd0 の積」と「周波数指令値 f *」の比をとったものを図 10 に示す。V*とVd/Vd0 の積は，直流電圧の上昇を考慮したモータ端子電圧を表す。V/f パターンをパターン 2 とすると回生初期のモータ
端子電圧と周波数の比はほぼ一定で，図 9(b)に示す電流の大きさも一定となる。
〈4･4〉 回生効率

コンデンサに蓄積される静電エネ

ルギーは，回生動作前の電圧を Vd0 として電圧 Vd のとき

文献(１) 岡村廸夫：「電気二重層キャパシタと蓄電システム」 第 3 版，日刊工業新聞社 (2005)(２) 峯村明憲，八代昌大，辻俊明，金子裕良，阿部茂，電気二重層キャパシタの RC 多段等価回路による充放電効率，電気学会 半導体電力変換研究会資料，SPC-08-22，pp.7-12 (2008).
(３) 八代昌大，太田圭祐，金子裕良，阿部茂，電気二重層キャパシタ蓄
電式エレベータの 1 日の詳細電力シミュレーション, 日本機械学会
昇降機・遊戯施設等の最近の技術と進歩, No.08-75, pp.27-30 (2009)(４) 菅郁朗・冨永真志・荒木博司・池島宏行・田島仁・楠間誠・小林和
幸：「回生電力蓄電システムによる省エネエレベータの開発」，電気学会パワーエレクトロニクス研究会資料，JSPE-27-5 (2001)