電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータの電力回生効率
加藤康平＊，太田 圭祐，辻俊明，阿部茂(埼玉大学)

Power Regeneration Efficiency of Elevators with Electric Double Layer Capacitors
Kohei Kato, Keisuke Ota, Toshiaki Tsuji, Shigeru Abe (Saitama University)

１．まえがき表 1 エレベータの仕様
Table1. Elevator specifications

電気二重層キャパシタ（EDLC）は、二次電池と比較して長寿命かつ出力密度が高い(1)という特長があり、瞬低補償装置や上海のトロリーバスなどに用いられている。
我々は EDLC をエレベータに用い、省エネ率の向上と蓄N

7FD

3.5 mv01.0 m/s

a0.55 m/s2n9MC600 kg

MP600 kg

MCW900 kg

0.80

電装置の長寿命化を図る EDLC 蓄電式エレベータを研究しは定員乗車時の乗客重量、MCW は釣り合いおもりの重量、ている。シミュレータを構築し、一日の省エネ率を算出す

は機械系の効率である。

ると約 40%であった(2)。このシミュレータではインバータ

今回、実機の重量を 1/5 とし、慣性をモータとフライホイとモータの効率をそれぞれ 95% 一定と仮定している。小形ールで模擬する装置を製作した。模擬装置を図 2 に示す。

誘導電動機のすべり周波数制御による実験(3)では、回生効率

モータ 1 でエレベータのモータを模擬し、モータ 2 では釣（インバータ＋モータ効率）が低く、回転数によって大きり合いおもりとかごの重量アンバランスを模擬する。本論

く変化することがわかった。

文では重量アンバランスは考えない。

現在のエレベータで一般的な永久磁石同期電動機のベクトル制御では、高い回生効率が期待できる。エレベータ 1/5
モデル模擬装置を製作し、シミュレーションで回生効率を検証した。回生効率は回生開始直後を除いて 80～90%と高く、従来の仮定に近い結果が得られた。
EDLC 蓄電式エレベータのシステム構成を図 1 に示す。モータの電力回生時に EDLC に蓄電し、力行時に再利用する。EDLC は整流器とインバータ間の直流部に直結し、充放電による EDLC 電圧 Vd の変化で交流電源と EDLC 電源が自動的に切り替わる方式である。
〈2･2〉 エレベータ実機 1/5 モデル

ルの運動エネルギーES は、エレベータ速度 v のとき

ES  1  mc  m p  mcw  v 22(1)である。模擬装置の回転エネルギーEF は、慣性モーメント２．電気二重層キャパシタ蓄電式エレベータ〈2･1〉 システム構成

以下、1/5 モデルの重量を mc、mp、mcw で表す。1/5 モデ

典型的な住宅用エレベータの仕様を表 1 に示す。N は階数、FD は階間距離、
v0 は定格速度、a は加速度、n は定員、MC はかご重量、MPを J（= 0.0544 kg･m2）、回転角速度をrmとするとEF  1 J rm 22(2)である。ES =EF となるようにrm を変えることでエレベータを模擬する。
〈2･3〉 重量バランス時 2 階床間走行の速度パターン
エレベータでは、かごに乗客が定員の 1/2 乗車した際（Mp =300 kg、mp = 60 kg）に釣り合いおもりとかごがバランスする。2 階床間（1 階から 3 階）走行時のエレベータ速度を図Vd3 に示す。(1)(2)式に従って求めた模擬装置の回転数パターンrm* を図 4 に示す。
PMPM motor 1EDLCMCMP
図 1 システム構成
Fig.1. System configuration

MCW

PM motor 2Flywheel
図 2 エレベータ模擬装置
Fig.2. Elevator simulator (MG set)

0.50036Time [s]60040020000936Time [s]9400600

350

400

300

20000

図 4 フライホイール回転数
Fig.4. Flywheel revolution

図 3 エレベータ速度
Fig.3. Elevator velocity

800

Pattern Revolution
Flywheel Revolution
DC Voltage

36Time [s]250

DC Voltage [V]1Revolution [rpm]800

Revolution [rpm]Velocity [m/s]1.52009

図 6 回転数と直流電圧変化
Fig.6. Revolution and DC voltage

vd* ,vq*100
rm

vu* ,vv*,vw*

d-q

Decoupling
controller

iu , iv

PWM

u,v,w
d-q

Current
controller
v’d* ,v’q*

PMmotorInverteriq*
id*= 0pu,v,w

id , iq

Velocity
controllerrm*

Velocity Pattern

6040PM motorInduction motor

20300600900

Revolution [rpm]
図 7 回生効率
Fig.7. Regeneration efficiency

re〈3･2〉 回生効率の比較

小形誘導電動機のすべり周波数制御(3)と、永久磁石同期電動機のベクトル制御で回生効

図 5 に示す構成でベクトル制御を

行 っ た 。 制 御 す る 永 久 磁 石 同 期 電 動 機 （ MitsubishiHC-SFS121、図 2 のモータ 1）の定数を表 2 に示す。PR は定格出力、Nrm は定格回転数、TR は定格トルク、fa は誘起電圧定数、Ra は電機子巻線抵抗、La は電機子巻線インダクタンス、JM は慣性モーメント、p は極対数である。d 軸電流
指令値 id* = 0A とし、最大効率で駆動する。

３．シミュレーション結果 ―重量バランス時―〈3･1〉 回転数と電圧変化80001s

図 5 制御ブロック図
Fig.5. Control block diagram〈2･4〉 制御方式

Efficiency [%]Rectifier

EDLC 蓄電式エレベータが、重量バランス時に 2 階床間上昇した際の 1/5 モデル模擬装置の PSIM によるシミュレーション結果を示す。
重量バランス時は回生エネルギーが小さい。電圧上昇幅を大きくするため、容量の小さい電解コンデンサ（C =4500
F）を用いた。
回転数と直流電圧の変化を図 6 に示す。減速時にエネルギーが回生している。直流電圧は回生に伴って上昇するが、速度フィードバックが有効に働き回転数は目標のパターンに追従している。電解コンデンサに蓄積されたエネルギーは 150J で、回転エネルギー180J の 83%に相当する。
表 2 永久磁石同期電動機の定数
Table2. Permanent magnet synchronous motor parametersPR

1.2 kWNrm

1000 rpm

TR11.45 N･mfa

0.964 V･s/radRa0.657 La12.5 mH

JM

0.00425 kg･m2p4率（インバータ＋モータ効率）を比較する。いずれも PSIMによるシミュレーション結果から回生効率を算出した。
回転数と回生効率の関係を図 7 に示す。回生開始直後は効率が低い。この部分を除いて考えると、小形誘導電動機のすべり周波数制御では回生効率が 20～60%と低いが、永久磁石同期電動機のベクトル制御では 80～90%と高い。回
転数が低い場合でも回生効率の低下は 10%にとどまることがわかった。我々はインバータ＋モータ効率を 90.25%（各95%）と仮定して一日の省エネ率を算出(2)しており、仮定に近い結果が得られた。

４．結論
永久磁石同期電動機のベクトル制御を採用し、エレベータ重量 1/5 モデル模擬装置のシミュレーションで回生効率を検証した。乗客バランス時に 2 階床間上昇した場合、回生効率は回生開始直後を除き 80～90%と高く、回転数が低い場合も高効率となることがわかった。
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) 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、日本機械学会技術講演会 昇降機・遊戯施設等の最近の技術と進歩、No.08-75 (2009)(3) 加藤康平、辻俊明、阿部茂：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、平成 21 年電気学会産業応用部門大会、No.1-86 (2009)