特開 2024-99303 電力変換装置およびエレベータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024099303

(43)【公開日】2024-07-25

(54)【発明の名称】電力変換装置およびエレベータ装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240718BHJP

   H02M 7/06 20060101ALI20240718BHJP

   B66B 1/34 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H02M7/06 Z

B66B1/34 B

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023003148

(22)【出願日】2023-01-12

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】000236056

【氏名又は名称】三菱電機ビルソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003568

【氏名又は名称】弁理士法人加藤国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松井 光生

【テーマコード（参考）】

3F502

5H006

5H770

【Ｆターム（参考）】

3F502NA14

5H006BB05

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC08

5H770BA01

5H770BA11

5H770CA02

5H770DA41

5H770QA25

(57)【要約】

【課題】高周波電流の流出を抑制し、且つ不要な電圧降下を回避できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１０は、系統電源２０から入力された入力電力を全波整流する全波整流回路１２と、全波整流回路１２の出力を交流電力に変換するインバータ回路１４と、全波整流回路１２の前段に設けられ、入力電力の高調波成分を抑制するリアクトル１１とを備える。
リアクトル１１のインダクタンス値は、系統電源２０からの入力電流の転流角、系統電源２０の電圧実効値、系統電源２０の電気角周波数および入力電力を用いて下限値を規定する式と、系統電源２０の電気角周波数、入力電力の最大値、インバータ回路１４の直流側電圧制限値および系統電源２０の電圧実効値を用いて上限値を規定する式とを満たす。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相の系統電源から入力された入力電力を全波整流する全波整流回路と、
前記全波整流回路の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記全波整流回路の前段に設けられ、前記入力電力の高調波成分を抑制するリアクトルとを備え、
前記系統電源からの入力電流の転流角をｕ［ｒａｄ］、前記系統電源の電圧実効値をＥ［Ｖｒｍｓ］、前記系統電源の電気角周波数をω_ｓ［ｒａｄ／ｓ］、前記入力電力をＰ_ｉｎ［Ｗ］、前記入力電力の上限値をＰ_{ｉｎ_max}［Ｗ］、前記インバータ回路の直流側電圧制限値をＶ_{ｄｃ＿ｌｉｍ}［Ｖ］としたときに、前記リアクトルのインダクタンス値Ｌ_ａｃ［Ｈ］は、以下の式（１）及び式（２）を満たす電力変換装置。

【数1】

【請求項2】

前記全波整流回路と前記インバータ回路との間に接続され、前記インバータ回路の直流側の電圧を平滑化するＤＣリンクコンデンサを更に備える請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置から供給される交流電力によって駆動する電動機と、
前記電動機の駆動によって動作する巻上機と、
前記巻上機に掛けられた主索と、
前記主索の一端に取付けられた乗りかごと、
前記主索の他端に取付けられた釣合錘と、
前記電力変換装置に制御信号を伝送して、前記電動機の駆動を制御する制御装置とを備えるエレベータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置およびエレベータ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電気機器の普及に伴い高調波電流量が増加し、電力系統の品質の低下が指摘されている。そのため、各系統に接続される電力変換装置には、高調波対策として電源側に三相交流用のリアクトルを設置して、高調波電流の流出を抑制するものがあった。しかし、この電力変換装置は、リアクトルに対して通電電流量が増加すると、インバータ回路の直流側の電圧であるＤＣリンク電圧が大きく低下するといった問題を有していた。この問題に対して、例えば、特許文献１には、通電電流量が所定値以上になるとリアクトルのインダクタンスを低下させ、ＤＣリンク電圧の降下を抑制する方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１－２７９３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１には、「通電電流量の上昇に伴ってリアクトルのインダクタンスを低下させる」としか記載されていない。このため、リアクトルのインダクタンスを低下させ過ぎた場合、高周波電流の流出を十分に抑制できないおそれがあった。また、リアクトルのインダクタンスを十分に低下させなかった場合、ＤＣリンク電圧の降下を抑制できないおそれがあった。

【0005】

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、高周波電流の流出を抑制し、且つ不要な電圧降下を回避できる電力変換装置およびエレベータ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る電力変換装置は、三相の系統電源から入力された入力電力を全波整流する全波整流回路と、全波整流回路の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、全波整流回路の前段に設けられ、入力電力の高調波成分を抑制するリアクトルとを備え、
系統電源からの入力電流の転流角をｕ［ｒａｄ］、系統電源の電圧実効値をＥ［Ｖｒｍｓ］、系統電源の電気角周波数をω_ｓ［ｒａｄ／ｓ］、入力電力をＰ_ｉｎ［Ｗ］、入力電力の上限値をＰ_{ｉｎ_max}［Ｗ］、インバータ回路の直流側電圧制限値をＶ_{ｄｃ＿ｌｉｍ}［Ｖ］としたときに、リアクトルのインダクタンス値Ｌ_ａｃ［Ｈ］は、以下の式（１）及び式（２）を満たす。

【0007】

【数1】

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る電力変換装置およびエレベータ装置は、高周波電流の流出を抑制し、且つ不要な電圧降下を回避できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。

【図2】系統電源からの入力電力の波形図である。

【図3】系統電源からの入力電力とリアクトルのインダクタンス値との関係を示すグラフである。

【図4】領域範囲内、領域範囲外および境界線におけるＤＣリンク電圧を示す表である。

【図5】実施の形態２に係るエレベータ装置の構成を示すブロック図である。

【図6】実施の形態２に係る電力変換装置が有する制御部のハードウェア構成の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施の形態に係る電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略される。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、リアクトル１１と、全波整流回路１２と、ＤＣリンクコンデンサ１３と、インバータ回路１４とを備えている。

【0011】

電力変換装置１０は、三相の系統電源２０に接続されている。電力変換装置１０は、系統電源２０からの商用三相交流電力を、電動機３０が要求する三相交流電力に変換することで、電動機３０を駆動する。
全波整流回路１２は、リアクトル１１を介して系統電源２０に接続されている。全波整流回路１２は、系統電源２０から入力された交流の入力電力を全波整流する。全波整流回路１２は、ブリッジ接続された６個の整流ダイオードから構成されている。一方、インバータ回路１４は、電動機３０に接続されている。インバータ回路１４は、全波整流回路１２から出力された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を電動機３０に供給する。インバータ回路１４は、６個の半導体スイッチング素子から構成されている。

【0012】

全波整流回路１２とインバータ回路１４との間には、ＤＣリンクコンデンサ１３が接続されている。ＤＣリンクコンデンサ１３は、インバータ回路１４の直流側の電圧を平滑化させる。また、全波整流回路１２の前段である系統電源２０と全波整流回路１２との間には、リアクトル１１が接続されている。リアクトル１１は、系統電源２０から入力された交流の入力電力の高調波成分を抑制する。また、リアクトル１１は、電力変換装置１０の内部で発生した高周波電流の系統電源２０への流出を抑制する。

【0013】

ここで、電力系統における近年の高調波電流量の増加に伴い、電力系統に接続される電気機器は高調波発生量に制限が設けられている。本実施の形態に係る電力変換装置１０では、商用交流サイドである全波整流回路１２の前段に三相交流用のリアクトル１１を設けることにより、系統電源２０側への高調波電流の流出を抑制している。
具体的には、電気機器の電源高周波電流の規制に関する国際規格であるＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）６１００－３－１２の高周波電流に対する規格値を満たすために、リアクトル１１は、以下の式（３）を満足するインダクタンス値Ｌ_ａｃを有している。

【0014】

【数2】

【0015】

式（３）は、ＩＥＣ６１００－３－１２の規格値を満足するための最小のインダクタンス値を示す式である。従って、本実施の形態に係る電力変換装置１０は、式（３）を満足するインダクタンス値Ｌ_ａｃを有するリアクトル１１を備えることにより、系統電源２０側への高調波電流の流出を確実に抑制することができる。

【0016】

なお、式（３）におけるｕ［ｒａｄ］は、系統電源２０からの入力電流の転流角である。図２に示すように、系統電源２０からの入力電流の波形は、本来、電圧波形Ａのような正弦波の波形であるが、入力電流には高周波が含まれることから、電流波形Ｂのような高周波波形となる。そして、図２に図示したｕが、電流波形Ｂの位相の遅れによる転流角である。なお、図２の波形図の縦軸が電圧［Ｖ］、横軸が位相［ｒａｄ］である。
また、ＩＥＣ６１００－３－１２は、系統電源に接続された相あたり１６Ａ超７５Ａ以下の入力電流をもつ機器によって生成される高調波電流の限度値を規定する国際規格である。

【0017】

一方、三相交流用のリアクトルによる高周波抑制対策が施された従来の電気機器は、リアクトルに対して通電電流量が大きくなると、インバータ回路の直流側の電圧であるＤＣリンク電圧が大きく低下するといった課題を有していた。
本実施の形態に係る電力変換装置１０は、上述した式（３）を満足すると共に、以下の式（４）を満足するインダクタンス値Ｌ_ａｃを有する飽和特性を持ったリアクトル１１を備えている。

【0018】

【数3】

【0019】

ここで、式（４）は、ＤＣリンク電圧の低下を許容できる最大のインダクタンス値を示す式である。従って、本実施の形態に係る電力変換装置１０は、式（４）を満足するインダクタンス値Ｌ_ａｃを有する飽和特性を持ったリアクトル１１を備えることにより、ＤＣリンク電圧の低下を確実に抑制することができる。

【0020】

図３は、系統電源２０からの入力電力Ｐ_ｉｎとリアクトル１１のインダクタンス値Ｌ_ａｃとの関係を示すグラフである。図３に示すように、１１ｋＷ≦入力電力Ｐ_ｉｎ≦１８ｋＷの範囲について式（３）から得られた値Ｌ_ｍｉｎをプロットした境界線４０と、１１ｋＷ≦入力電力Ｐ_ｉｎ≦１８ｋＷの範囲について式（４）から得られた値Ｌ_ｍａｘをプロットした境界線４１とで囲まれた領域４２内に、リアクトル１１のインダクタンス値Ｌ_ａｃが収まっている。

【0021】

すなわち、入力電力Ｐ_ｉｎの電力量が１４ｋＷぐらいまでの間は、インダクタンス値Ｌ_ａｃはほぼ一定である。しかし、入力電力Ｐ_ｉｎの電力量が１４ｋＷより増えると、インダクタンス値Ｌ_ａｃが減少するような飽和特性をリアクトル１１は有している。このため、１１ｋＷ≦入力電力Ｐ_ｉｎ≦１８ｋＷの範囲においてリアクトル１１のインダクタンス値Ｌ_ａｃが境界線４１を超えることがない。その結果、電力変換装置１０は、ＤＣリンク電圧の低下を確実に抑制することができる。
また、上述したように、リアクトル１１は、式（３）を満足するインダクタンス値Ｌ_ａｃを有している。このため、リアクトル１１のインダクタンス値Ｌ_ａｃは、１１ｋＷ≦入力電力Ｐ_ｉｎ≦１８ｋＷの範囲において境界線４０を下回ることはない。その結果、電力変換装置１０は、系統電源２０側への高調波電流の流出を確実に抑制することができる。

【0022】

なお、図３では、入力電力Ｐ_ｉｎが１１ｋＷから１８ｋＷの範囲について説明したが、入力電力Ｐ_ｉｎが１１ｋＷから１８ｋＷの範囲外の場合も、式（３）および式（４）は有効である。ただし、入力電力Ｐ_ｉｎの電力帯にあった転流角ｕの値を決定するなど、入力電力Ｐ_ｉｎの電力帯にあった数値設計を再度行う必要がある。

【0023】

図４は、領域４２の範囲内、範囲外および境界線４１におけるＤＣリンク電圧を示す表である。図４における測定点ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３は、図３にプロットされた測定点ａ１，ａ２，ａ３，ｂ１，ｂ２，ｂ３に対応する。このため、測定点ａ１，ｂ１が領域４２の範囲内の点であり、測定点ａ２，ｂ２が境界線４１上の点である。また、測定点ａ３，ｂ３が領域４２の範囲外の点である。

【0024】

図４における直流平均電圧は、シミュレータを用いて得られた電圧である。シミュレータとしては、Ｍｙｗａｙプラス株式会社製の回路シミュレータＰＳＩＭを使用した。シミュレーションでは、系統電圧Ｅ＝３８０［Ｖｒｍｓ］、周波数Ｆｓ＝５０［Ｈｚ］における直流平均電圧を求めている。また、図４における電圧降下量は、高調波対策用のリアクトルがない場合における交流電圧の最大値相当の電圧値である３８０×√２≒５３７．４［Ｖ］からシミュレーション結果の直流平均電圧値を減算した値である。

【0025】

図４に示すように、領域４２の範囲内の測定点ａ１，ｂ１および境界線４１上の測定点ａ２，ａ３に比べて、領域４２の範囲外の測定点ａ３，ｂ３におけるＤＣリンク電圧の電圧降下量が大きいことが分かる。このように、領域４２の範囲外においては、ＤＣリンク電圧の電圧降下量が大きいことがシミュレーションによって確認できた。
本実施の形態に係る電力変換装置１０では、式（４）を満足するインダクタンス値Ｌ_ａｃを有する飽和特性を持ったリアクトル１１を備えているので、リアクトル１１のインダクタンス値Ｌ_ａｃが境界線４１を超えることがない。そのため、本実施の形態に係る電力変換装置１０は、測定点ａ３，ｂ３における電圧降下のようなＤＣリンク電圧の大きな低下が発生しない。よって、本実施の形態に係る電力変換装置１０であれば、インバータ回路１４が必要とする最低ＤＣリンク電圧値を十分に確保することができる。

【0026】

以上のように、本実施の形態に係る電力変換装置１０は、式（３）から得られるインダクタンス値Ｌ_ａｃと、式（４）から得られるインダクタンス値Ｌ_ａｃとを満足する飽和特性を有するリアクトル１１を備えている。その結果、本実施の形態に係る電力変換装置１０は、系統電源２０側への高調波電流の流出を確実に抑制しつつ、最大電力時においてもＤＣリンク電圧の低下を緩和できるといった優れた効果を有する。

【0027】

さらに、図３に示すような式（１）および式（２）を満足する飽和特性のリアクトルを適用できる場合、常にＩＥＣ６１００－３－１２記載の規格値とＤＣリンク電圧の低下を緩和することが可能となる。このため、従来であれば、定格電力毎に用意する必要のあったリアクトルの展開数を２または１に減らすことが可能となる。

【0028】

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係るエレベータ装置５０の構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１の部分と同一又は相当部分には同一符号を付し、当該部分の説明は省略する。

【0029】

図５に示すように、エレベータ装置５０は、電力変換装置１０と、電力変換装置１０から供給される交流電力によって駆動する電動機３０と、電動機３０の駆動によって動作する巻上機５１とを備えている。また、エレベータ装置５０は、巻上機５１に掛けられた主索５２と、主索５２の一端に取付けられた乗りかご５３と、主索５２の他端に取付けられた釣合錘５４とを備えている。さらに、エレベータ装置５０は、電力変換装置１０のインバータ回路１４に制御信号を伝送して、電動機３０の駆動を制御する制御装置６０を備えている。
ここで、エレベータ装置５０の昇降動作時に取り扱う電力量は動作状態に応じて大きく異なる。例えば、乗りかご５３の一定速時における定格電力量と加速時における最大電力量とは、システムによるが１．５倍～２．５倍、場合によってはそれ以上の比になる。

【0030】

乗りかご５３の加速による最大電力時には、リアクトル１１に対する通電電流量が増加する。このため、従来の電力変換装置では、通電電流量の増加によってＤＣリンク電圧が大きく低下し、エレベータ駆動用のインバータ回路の出力電圧に制限が掛かるといった事態が発生していた。
本実施の形態に係るエレベータ装置５０には、ＤＣリンク電圧の低下を抑制できる電力変換装置１０が設けられている。このため、乗りかご５３の加速による最大電力時であっても、ＤＣリンク電圧の低下が緩和され、インバータ回路１４の出力電圧に制限が掛かるといった事態を回避できる。

【0031】

次に、具体例として、定格電力１１ｋＷ、力行加速時の最大電力が１８ｋＷのエレベータ装置５０に対して高調波対策を実施する場合を示す。
まず、ＩＥＣ６１００－３－１２の規格を満足するために近似的に導出した式（３）に基づいて、インダクタンス値の下限を計算する。
系統電源２０の電圧実効値がＥ＝４００［Ｖｒｍｓ］、系統電源２０の周波数がＦｓ＝５０［Ｈｚ］、系統電源２０の角周波数がω_ｓ＝２π×５０＝１００π［ｒａｄ／ｓ］の場合、系統電源２０からの入力電流の転流角をｕ＝π／１８０×２０°［ｒａｄ］、定格入力電力をＰ_ｉｎ＝１１［ｋＷ］として、式（３）に代入すると、以下のようになる。

【0032】

【数4】

【0033】

次に、ＤＣリンク電圧の低下を抑制するために近似的に導出した式（４）に基づいて、インダクタンス値の上限を計算する。
系統電源２０の電圧実効値がＥ＝３８０［Ｖｒｍｓ］、系統電源２０の周波数がＦｓ＝５０［Ｈｚ］、系統電源２０の角周波数がω_ｓ＝２π×５０＝１００π［ｒａｄ／ｓ］の場合、乗りかご５３の加速による最大電力時において低下するＤＣリンク電圧の下限値をＶ_{ｄｃ＿ｌｉｍ}＝４９０［Ｖ］、インダクタンス値の上限値をＰ_{ｉｎ＿ｍａｘ}＝１８［ｋＷ］として、式（４）に代入すると、以下のようになる。

【0034】

【数5】

【0035】

本実施の形態に係るエレベータ装置５０は、式（５）から得られるインダクタンス値Ｌ_ａｃと、式（６）から得られるインダクタンス値Ｌ_ａｃとを満足する飽和特性を有するリアクトル１１を備えている。その結果、本実施の形態に係るエレベータ装置５０は、ＩＥＣ６１００－３－１２の規格を準拠することにより、系統電源２０側への高調波電流の流出を確実に抑制できるといった優れた効果を有する。また、乗りかご５３の加速による最大電力時においてもＤＣリンク電圧の低下を緩和することにより、エレベータ駆動用のインバータ回路１４の出力電圧に制限を与えないといった優れた効果を有する。

【0036】

図６は、本実施の形態に係るエレベータ装置５０が有する制御装置６０のハードウェア構成の例を示す図である。図６には、制御装置６０の機能が専用のハードウェアを使用して実現される場合におけるハードウェア構成を示している。制御装置６０は、各種処理を実行する処理回路６１と、制御装置６０の外部の機器との接続インタフェースであるインタフェース６２とを備える。

【0037】

専用のハードウェアである処理回路６１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ-Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はこれらの組み合わせである。制御装置６０の各機能は、処理回路６１を用いて実現される。インタフェース６２は、電力変換装置１０のインバータ回路１４に制御信号を出力する。

【0038】

なお、実施の形態２では、電力変換装置１０の機器への適用例としてエレベータ装置５０について説明したが、電力変換装置１０が適用される対象機器は、エレベータ装置５０に限定されず、エスカレータ装置、インバータ空調機などのその他の機器であってもよい。

【0039】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0040】

（付記１）
三相の系統電源から入力された入力電力を全波整流する全波整流回路と、
前記全波整流回路の出力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記全波整流回路の前段に設けられ、前記入力電力の高調波成分を抑制するリアクトルとを備え、
前記系統電源からの入力電流の転流角をｕ［ｒａｄ］、前記系統電源の電圧実効値をＥ［Ｖｒｍｓ］、前記系統電源の電気角周波数をω_ｓ［ｒａｄ／ｓ］、前記入力電力をＰ_ｉｎ［Ｗ］、前記入力電力の上限値をＰ_{ｉｎ_max}［Ｗ］、前記インバータ回路の直流側電圧制限値をＶ_{ｄｃ＿ｌｉｍ}［Ｖ］としたときに、前記リアクトルのインダクタンス値Ｌ_ａｃ［Ｈ］は、以下の式（１）及び式（２）を満たす電力変換装置。

【数6】

（付記２）
前記全波整流回路と前記インバータ回路との間に接続され、前記インバータ回路の直流側の電圧を平滑化するＤＣリンクコンデンサを更に備える付記１記載の電力変換装置。
（付記３）
付記１または付記２に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置から供給される交流電力によって駆動する電動機と、
前記電動機の駆動によって動作する巻上機と、
前記巻上機に掛けられた主索と、
前記主索の一端に取付けられた乗りかごと、
前記主索の他端に取付けられた釣合錘と、
前記電力変換装置に制御信号を伝送して、前記電動機の駆動を制御する制御装置とを備えるエレベータ装置。

【符号の説明】

【0041】

１０ 電力変換装置、１１ リアクトル、１２ 全波整流回路、１３ ＤＣリンクコンデンサ、１４ インバータ回路、２０ 系統電源、３０ 電動機、４０，４１ 境界線、４２ 領域、５０ エレベータ装置、５１ 巻上機、５２ 主索、５３ 乗りかご、５４ 釣合錘、６０ 制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】