电梯的控制装置以及控制方法与流程

本发明涉及电梯的控制装置以及控制方法。所述控制装置具有功率半导体器件。

背景技术：

现在，大部分电梯的控制装置中都具备电力变换回路，为驱动轿厢的电动机提供可变压变频的交流电。这些电力变换回路中通常包含绝缘栅双极晶体管(igbt)、智能功率模块(ipm)等功率半导体器件。当电动机运转时，电力变换回路中的功率半导体器件就会发热，使结点温度上升。而当电动机停止时，功率半导体器件就停止发热，使结点温度下降。随着电动机运行和停止的重复，功率半导体器件将重复热胀冷缩。也就是说，伴随着电力变换回路为电动机所提供的电力发生电力循环，功率半导体器件将暴露在热胀冷缩的热循环中。

由于功率半导体器件是由具有不同热膨胀系数的各种材料组成，所以热胀冷缩将使功率半导体器件内部产生热应力，而反复的热胀冷缩将给功率半导体器件带来热疲劳，最终导致焊线脱离等破坏。如日本专利公报特开平8-51768号中记载，可以用功率半导体器件直到热疲劳破坏为止所能经受的电力循环的次数来表示功率半导体器件的寿命。如该专利公报的图2所示，在电力循环中功率半导体器件的结点温度的变化(δtj)越大，其寿命就越短。

电梯走走停停，其控制装置中的电力变换回路的电力循环频率很高。另外，根据电梯负载的多少以及行进方向的不同，电力变换回路中的功率半导体器件的温度变化较大。这些因素都使电梯控制装置中的功率半导体器件的实际使用时间相对较短，导致更换器件的周期短、维修成本高等问题。如果电力变换回路中的功率半导体器件在电梯的运行过程中破坏，很可能导致轿厢停在半途，将乘客困在轿厢内。

上述的专利公报公开了一种功率半导体器件寿命监视装置，该装置根据功率半导体器件在电力循环中的结点温度变化推算功率半导体器件的寿命，在功率半导体器件破坏之前输出保护信号，使维修人员能够及时更换相关器件。另 外，日本专利公报特开2008-271703号公开了一种电力变换装置。该装置利用检测回路检测功率半导体器件的温度，并根据检测值计算功率半导体器件寿命。

但是，上述现有技术都局限于预测功率半导体器件的寿命，而不能延长功率半导体器件的寿命。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种电梯的控制装置，这种控制装置能够抑制在电力循环中功率半导体器件的结点温度的变化。

为解决所述技术问题，本发明的电梯控制装置包括：电梯运行控制部；具有功率半导体器件，为驱动轿厢的电动机提供可变压变频的交流电的电力变换回路；主要用于控制所述电力变换回路中的变频器的电动机控制部；以及，主要用于冷却所述功率半导体器件的冷却风扇。所述电动机控制部具有控制所述冷却风扇的风扇控制部。在电梯运行时，所述电动机控制部从所述电梯运行控制部获取负载信息以及目的层站信息，并对应这些信息选择控制所述冷却风扇的控制模式，通过所述风扇控制部控制所述冷却风扇的转速。

本发明还提供一种电梯的控制方法，这种控制方法能够抑制在电力循环中功率半导体器件的结点温度的变化。

为解决所述技术问题，本发明的电梯控制方法包括：获取信息步骤：获取负载信息以及目的层站信息；选择控制模式步骤：对应获取的负载信息以及目的层站信息，选择控制用于冷却功率半导体器件的冷却风扇的模式；以及，控制步骤：基于所选择的控制模式，对应电梯运行的各个阶段，控制所述冷却风扇的转速。

由于本发明的电梯控制装置以及电梯控制方法对应获取的轿厢负载信息以及目的层站信息选择控制冷却风扇的控制模式，对冷却风扇的转速进行控制，所以能够在导致功率半导体器件的结点温度上升的运行阶段，及时提高冷却风扇的转速，在导致功率半导体器件的结点温度下降的运行阶段，及时降低冷却风扇的转速，从而降低功率半导体器件结点的最高温度，提高结点的最低温度，抑制功率半导体器件结点温度的变化范围。这样，可以延长功率半导体器件的寿命，延长更换器件的周期，降低维修成本。

附图说明

图1是简略地表示本发明电梯控制装置的一个实施例的框图。

图2简略地表示冷却风扇的转速对绝缘栅双极晶体管(igbt)温度的影响。

图3表示在电梯运行时控制装置中的绝缘栅双极晶体管(igbt)的温度变化的计算机模拟结果。

图4是简略地表示本发明控制过程的一个实施例的流程图。

图5是图4所示流程图的后续部分。

＜附图中的标记＞

100-控制装置、102-电梯运行控制部、110-电动机控制部、112-变频器控制部、114-传感器输入部、116-风扇控制部、120-电力变换回路、122-变换器、124-变频器、126-滤波电容、128-温度传感器、132-散热片、134-冷却风扇、202-温度变化曲线、204-温度变化曲线、212-集电极电流曲线、222-风扇转速曲线、224-风扇转速曲线、302-温度变化曲线、304-温度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1是简略地表示本发明电梯控制装置的一个实施例的框图。控制装置100包括电梯运行控制部102、电动机控制部110、电力变换回路120以及冷却风扇134。其中，电动机控制部110包括变频器控制部112、传感器输入部114、风扇控制部116。电力变换回路120包括变换器122、变频器124以及滤波电容126。电动机控制部110主要通过变频器控制部112控制电力变换回路120中的变频器124。

电梯运行控制部102控制电梯的运行。电力变换回路120为驱动轿厢的电动机提供可变压变频的交流电。具体地讲，变换器122将外部提供的三相交流电变换成直流电，并经滤波电容126滤波后输出到变频器124。变频器124在变频器控制部112的控制下，将直流电变换成具有所需频率和电压的三相交流电，向曳引机的电动机输出。电动机带动曳引机，通过曳引绳牵引轿厢和对重在井道内升降。

电力变换回路120具有功率半导体器件。例如，变频器124包含复数个绝缘栅双极晶体管(以下简称“igbt”)。igbt等功率半导体器件在工作时会发热。所以电力变换回路120与散热片132设置在一起，并用冷却风扇134进行冷却。冷却风扇134主要用于冷却电力变换回路120中的功率半导体器件。风扇控制部116控制冷却风扇134的转速。控制装置100还具有检测功率半导体器件温度的温度传感器128。温度传感器128设置在变频器124处，通过检测变频器 124模块的温度间接地检测变频器124内部的功率半导体器件的温度。温度传感器128检测的温度信号通过电动机控制部110的传感器输入部114传输到变频器控制部112。

图2简略地表示冷却风扇的转速对绝缘栅双极晶体管(igbt)温度的影响。图2由上中下三部分曲线组成，中间的曲线是igbt的集电极电流曲线212，上方的曲线是igbt的结点的温度变化曲线，下方的曲线是用于冷却igbt的冷却风扇的风扇转速曲线，这三部分曲线的横向坐标均为时间坐标。集电极电流曲线212为矩形波，电流高的时间段表示igbt导通的阶段，即作为开关处于接通的阶段，电流低的时间段表示igbt关断的阶段。

下方的风扇转速曲线有两条，一条是由点划线表示的风扇转速曲线222，表示风扇以固定的速度旋转，即对风扇的转速没有进行积极的控制。另一条是由实线表示的风扇转速曲线224，在igbt接通的前后对风扇的转速进行了积极的控制。如风扇转速曲线224所示，在igbt接通稍前的一个时间，迅速加大风扇的转速，使风扇的转速大于风扇转速曲线222所示的转速，而在igbt关断后，分两个阶段降低风扇的转速，使风扇的转速低于风扇转速曲线222所示的转速。

上方的温度变化曲线也有两条，一条是由细实线表示的温度变化曲线202，另一条是由粗实线表示的温度变化曲线204。这里所示的igbt的结点温度tj是从检测到的igbt模块的温度(即模块壳体表面的温度)tc换算出来的。温度变化曲线202对应风扇转速曲线222，表示在冷却风扇的转速不变的情况下igbt结点温度tj的变化。当igbt接通时，igbt结点温度tj急剧上升，当igbt关断时，igbt结点温度tj又快速下降。伴随着igbt接通和关断的电力循环，结点温度发生δtj的变化(从实际检测到的igbt模块温度变化δtc换算得出)。

温度变化曲线204对应风扇转速曲线224，表示在对冷却风扇的转速进行积极控制的情况下igbt结点温度的变化。为便于区别，这时的结点温度用tj’表示(用tc’表示igbt模块温度)。由于在igbt接通时提高了冷却风扇的转速，所以有效地抑制了igbt结点温度的上升，使温度变化曲线204的最高温度低于温度变化曲线202的最高温度。另外，由于在igbt关断时分两个阶段降低了冷却风扇的转速，所以避免了igbt结点温度快速下降，并提高了最低结点温度，使最高结点温度和最低结点温度的温度差缩小到δtj’(从实际检测到的igbt模块温度变化δtc’换算得出)。

图2所示的检测结果表明，针对igbt等功率半导体器件的不同状态，积极地控制冷却风扇的转速，可以大幅度减小功率半导体器件结点温度变化的范围 (减少最高温度与最低温度的温度差δtj)，从而减少功率半导体器件的热疲劳，提高功率半导体器件的寿命。

图3表示在电梯运行时控制装置中的绝缘栅双极晶体管(igbt)的温度变化的计算机模拟结果。其中，用实线表示的温度变化曲线302是对轿厢满载运行状态的模拟，用虚线表示的温度变化曲线304是对轿厢的载荷为额定载的50％时的模拟结果。如图3的温度变化曲线302所示，当轿厢满载运行时，控制装置中的igbt的温度变化幅度很大。而当轿厢的载荷为额定载的50％时，如图3的温度变化曲线304所示，控制装置中的igbt的温度变化幅度不到温度变化曲线302的一半。

众所周知，曳引式电梯具有对重装置(在本说明书中简称“对重”)。对重通过曳引绳经曳引轮与轿厢相连接。电动机驱动曳引轮，通过曳引轮与曳引绳的摩擦力带动曳引绳，牵引轿厢和对重上下运动。对重的作用是平衡轿厢的重量，这样曳引轮只需要带动轿厢与对重重量之差即可使轿厢上下运动，即对重具有减小曳引电动机转矩输出的功能。依照相关标准和规范，对重的重量用以下的公式(1)计算决定。

p＝g+qk(1)

其中，p表示对重重量(kg)；g表示轿厢净重(kg)；q表示轿厢额定载重量(kg)；k表示平衡系数(0.4～0.5)。在图3所示的模拟过程中，k为0.5。

当轿厢满载时，轿厢一侧的总重量与对重的重量差为最大，是轿厢和对重最不平衡的状态。这时，在轿厢上升和下降的过程中，电动机需要输出的转矩变化很大，结果如图3的温度变化曲线302所示，导致控制装置中的igbt的温度变化幅度很大。例如，在轿厢满载上升的加速阶段，电动机驱动的负载最大，导致控制装置中的igbt的温度急剧上升。而且轿厢上升阶段和下降阶段的温度变化曲线完全不同。

当轿厢的载荷为额定载的50％时，轿厢一侧的总重量与对重的重量差为零，处于最好的平衡状态。这时，在轿厢上升和下降的过程中，电动机需要输出的转矩变化不大，结果如图3的温度变化曲线304所示，导致控制装置中的igbt的温度变化幅度也不大。而且轿厢上升阶段和下降阶段的温度变化曲线相同。

图3所示的模拟结果表示，轿厢负载状况不同，控制装置中的igbt的温度变化形式就不同。而且，当轿厢一侧的总重量与对重的重量之间存在重量差时，在轿厢上升阶段和下降阶段，igbt的温度变化形式也不同。

通常，电梯的运行方式是预先设定好的。例如，当电梯从1层上升到5层 时，上升过程的速度以及加速度的变化都是通过控制程序事先设定好的。所以，如果不考虑电梯中出现的各种偏差的话，对应一定的轿厢负载和一定的运行区段，能够得到一个对应的、如图3所示的温度变化曲线。

本发明通过对不同轿厢负载状态进行计算机模拟，得到在这些状态下的控制装置中功率半导体器件的温度变化曲线。并针对各种负载状态制定一个控制冷却风扇134的控制模式，编成控制程序存储到变频器控制部112。例如，分别对轿厢的载荷为额定载的0％、10％、20％、30％、……80％、90％、100％的状态进行计算机模拟，得到在这些状态下的控制装置中功率半导体器件的温度变化曲线，并针对每个状态的温度变化曲线制定一个控制冷却风扇134的控制模式，编成控制程序存储到变频器控制部112。功率半导体器件的温度变化曲线也可以通过实际检测而获得，例如通过图1所示的温度传感器128进行检测。

在电梯运行时，电动机控制部110从电梯运行控制部102获取负载信息以及目的层站信息。其中，负载信息是设置在轿厢的称量装置检测的轿厢负载的信息，而目的层站信息决定电梯是上行(上升)还是下行(下降)。电动机控制部110的变频器控制部112对应这些信息选择控制冷却风扇134的控制模式，即选择对应的控制程序，并按照该控制程序向风扇控制部116发出控制指令。风扇控制部116按照接到的控制指令控制冷却风扇134的转速。例如，获取的负载信息表示轿厢的载荷为额定载的92％，获取的目的层站信息表示电梯是上行，则变频器控制部112将选择最接近于该负载的、对应于轿厢载荷为额定载的90％的上行控制程序，发出控制指令对冷却风扇134的转速进行控制。

在电动机控制部110控制冷却风扇134的过程中，还能够根据温度传感器128检测的温度，对冷却风扇134的转速进行调整，以减少功率半导体器件的温度变化幅度。由于每台电梯安装后的状态不可能完全相同，在使用过程中零部件也会发生磨损等原因，每台电梯的运行阻力等都有所差异。因此，即使在相同的轿厢载荷下，不同电梯的电动机驱动负载也可能不同，这可能导致控制装置中的功率半导体器件的温度偏离预想的温度变化曲线。温度传感器128可以监视这种变化。当温度传感器128检测的温度大于(或者小于)预先设定的阈值时，对冷却风扇134的转速进行调整，可以减少功率半导体器件的温度变化幅度。

图4是简略地表示本发明控制过程的一个实施例的流程图。图5是图4所示流程图的后续部分。以下，利用图4和图5的流程图，对本发明的电梯控制装置100如何控制冷却风扇134进行具体的说明。该流程图表示轿厢满载上行 时的控制过程，对应于图3所示温度变化曲线302的左半部。

在步骤s401，电梯门打开，乘客上电梯，设置在轿厢的称量装置开始检测轿厢负载，温度传感器128通过检测变频器124的温度间接地检测变频器124内部的功率半导体器件的温度。在步骤s402，变频器控制部112通过电梯运行控制部102确认电梯门是否关闭。如果电梯门已经关闭，便进入步骤s403，结束轿厢负载的检测，将负载信息传输到电梯运行控制部102。在步骤s404，变频器控制部112通过电梯运行控制部102确认是否登记目的层站，如果通过乘客的操作已经登记了目的层站，便进入步骤s405。

在步骤s405，电动机控制部110从电梯运行控制部102获取负载信息以及目的层站信息。在步骤s406，电动机控制部110的变频器控制部112对应这些信息选择控制冷却风扇134的控制模式，即选择对应的控制程序，并按照该控制程序向风扇控制部116发出控制指令。随着在步骤s407电梯起动，从步骤s408开始，风扇控制部116按照接到的控制指令控制冷却风扇134的转速。

在步骤s408，电梯运行进入加速阶段。如图3的温度变化曲线302所示，在电梯上行的加速阶段，功率半导体器件的温度将急剧上升，为了抑制这种温度上升，冷却风扇134的转速控制在高速旋转的状态。在图4所示的控制流程中，冷却风扇134的提速是与进入加速阶段同时进行的。但这不是对本发明控制方式的限定。冷却风扇134的提速也可以在进入加速阶段稍前开始，例如，在电梯起动前1秒将冷却风扇134的转速提高到高速，然后起动进入加速阶段，这样可以更有效地抑制温度的上升。

如上所述，本发明的控制装置100不是等到功率半导体器件的温度上升后才去提高冷却风扇134的转速，而是对应这种温度变化已经准备有相应的控制模式(控制程序)，在功率半导体器件的温度上升之前，伴随电梯运行进入加速阶段(或者在进入加速阶段稍前)便可以将冷却风扇134的转速提高到高速，所以能够有效地抑制功率半导体器件的温度上升。

在步骤s409，在预先设定的时间t1内，维持冷却风扇134的高速旋转。这是为了避免在变频器124的温度还处于上升阶段时，流程过早地进入步骤s411，使冷却风扇134不能充分发挥冷却作用。时间t1的长短可以根据加速阶段时间的长短设定，也可以设定为零。

在步骤s410，变频器控制部112确认温度传感器128检测的变频器124的温度是否低于预先设定的阈值tth1。如果变频器124的温度低于阈值tth1，流程进入步骤s411，将冷却风扇134的转速降到中速，从而避免温度下降过快。 如果变频器124的温度不低于阈值tth1，流程进入步骤s412，将冷却风扇134的转速维持在高速。

在步骤s413，变频器控制部112通过电梯运行控制部102确认轿厢的速度是否达到预定的速度sc。sc是等速阶段的运行速度。如果轿厢的速度达到了速度sc，流程进入s414，电梯运行进入等速阶段，冷却风扇134的转速控制在中速旋转的状态。如果轿厢的速度还没有达到速度sc，流程重复s410到s413之间的步骤。

在步骤s415，在预先设定的时间t2内，维持冷却风扇134的中速旋转。这是为了避免流程过早地进入步骤s417，使冷却风扇134不能充分发挥冷却作用。时间t2的长短可以根据等速阶段时间的长短设定，也可以设定为零。

在步骤s416，变频器控制部112确认温度传感器128检测的变频器124的温度是否低于预先设定的阈值tth2。如果变频器124的温度低于阈值tth2，流程进入步骤s417，将冷却风扇134的转速降到低速，从而避免温度下降过快。如果变频器124的温度不低于阈值tth2，流程进入步骤s418，将冷却风扇134的转速维持在中速。

在步骤s419，变频器控制部112通过电梯运行控制部102确认轿厢是否到达开始减速的位置。如果轿厢到达了开始减速的位置，流程进入s420，电梯运行进入减速阶段，冷却风扇134的转速控制在低速旋转的状态。如果轿厢还没有到达开始减速的位置，流程重复s416到s419之间的步骤。

在步骤s421，在预先设定的时间t3内，维持冷却风扇134的低速旋转。这是为了避免流程过早地进入步骤s423，使冷却风扇134不能充分发挥冷却作用。时间t3的长短可以根据减速阶段时间的长短设定，也可以设定为零。

在步骤s422，变频器控制部112确认温度传感器128检测的变频器124的温度是否低于预先设定的阈值tth3。如果变频器124的温度低于阈值tth3，流程进入步骤s423，停止冷却风扇134，从而避免变频器124的温度降得过低。如果变频器124的温度不低于阈值tth3，流程进入步骤s424，将冷却风扇134的转速维持在低速。

在步骤s425，变频器控制部112通过电梯运行控制部102确认轿厢的速度是否达到预定的停止前速度sb。sb是轿厢停止稍前的一个微小的速度值。如图3的温度变化曲线302所示，满载上行的轿厢停止时，功率半导体器件的温度会出现一个瞬间急剧上升的峰值。为了抑制这种温度变化，如果轿厢的速度达到了速度sb，流程进入s426，电梯运行进入停止前阶段，冷却风扇134的转速提 高到中速。如果轿厢的速度还没有达到速度sb，流程重复s422到s425之间的步骤。设定速度sb可以参照图3的温度变化曲线302，将功率半导体器件的温度急剧上升稍前的速度设为sb。这样可以有效地抑制功率半导体器件的温度上升。

如果对冷却风扇134的控制完全依赖温度传感器128检测的温度来进行，则只有当温度传感器128检测到温度已经上升，才将冷却风扇134的转速提高。对于上述满载上行轿厢停止时出现的温度峰值，由于温度变化急剧，这种控制方法无法追随这种温度变化，所以无法抑制这种情况下的温度上升。但是，本发明的控制装置100不是等到功率半导体器件的温度上升后才去提高冷却风扇134的转速，而是对应这种温度变化已经准备有相应的控制模式(控制程序)，在功率半导体器件的温度急剧上升之前便可以将冷却风扇134的转速提高，所以能够有效地抑制功率半导体器件的温度上升。

在步骤s427，变频器控制部112通过电梯运行控制部102确认轿厢是否到达停止位置。如果轿厢到达了停止位置，流程进入s428，电梯停止运行，冷却风扇134也将被停止。如果轿厢还没有到达停止位置，流程重复s426到s427之间的步骤。

图4和图5所示的流程即给出了控制装置100控制冷却风扇134的一个实施例，也给出了本发明电梯控制方法的一个实施例。

本发明的控制方法包括获取信息步骤、选择控制模式步骤、以及控制步骤。在获取信息步骤，如上述流程图中的步骤s405，获取负载信息以及目的层站信息。在选择控制模式步骤，如上述流程图中的步骤s406，对应获取的负载信息以及目的层站信息，选择控制用于冷却功率半导体器件的冷却风扇的模式。在控制步骤，如上述流程图中的步骤s408到s428，基于所选择的控制模式，对应电梯运行的各个阶段，控制所述冷却风扇的转速。

其中，控制步骤还可以包括加速段分步骤、等速段分步骤、以及减速段分步骤。在加速段分步骤，如上述流程图中的步骤s408、s409，对应电梯的加速阶段控制冷却风扇转速。在等速段分步骤，如上述流程图中的步骤s414、s415，对应电梯的等速阶段控制冷却风扇转速。在减速段分步骤，如上述流程图中的步骤s420、s421，对应电梯的减速阶段控制冷却风扇转速。

但是加速段分步骤、等速段分步骤、以及减速段分步骤并不是必需的。例如，当轿厢的载荷为额定载的50％时，如图3的温度变化曲线304所示，在电梯运行时功率半导体器件的温度变化并不大，所以不论在加速阶段、等速阶段、 还是在减速阶段，可以将冷却风扇的转速控制在同一个中速(或者低速)，不需要将控制步骤分为加速段分步骤、等速段分步骤、以及减速段分步骤进行控制。

另外，控制步骤可以包括对应电梯停止前阶段控制冷却风扇转速的停止前分步骤，如上述流程图中的步骤s426。但是停止前分步骤不是必需的。例如，当轿厢的载荷为额定载的50％时，如图3的温度变化曲线304所示，轿厢停止时，功率半导体器件的温度并不会出现一个瞬间急剧上升的峰值。所以，对于轿厢的载荷为额定载的50％的情况，控制步骤中就不需要设置停止前分步骤。

此外，控制步骤可以包括调整分步骤。在调整分步骤，如上述流程图中的步骤s410到s412、步骤s416到s418、或者s422到s424，检测功率半导体器件的温度，并根据检测的温度调整冷却风扇的转速。但是，调整分步骤不是必需的。例如，当轿厢的载荷为额定载的50％时，如图3的温度变化曲线304所示，在电梯运行时功率半导体器件的温度没有很大的起伏，控制步骤中可以不设置调整分步骤。

由于本发明的电梯控制装置以及电梯控制方法对应获取的轿厢负载信息以及目的层站信息选择控制冷却风扇的控制模式，对冷却风扇的转速进行控制，所以能够在导致功率半导体器件的结点温度上升的运行阶段，及时提高冷却风扇的转速，在导致功率半导体器件的结点温度下降的运行阶段，及时降低冷却风扇的转速，从而降低功率半导体器件结点的最高温度，提高结点的最低温度，抑制功率半导体器件结点温度的变化范围。这样，可以延长功率半导体器件的寿命，延长更换器件的周期，降低维修成本。

本发明并不限于上述的实施例，其还包括各种各样的变形例。例如，在上述的实施例中，为了便于理解，对本发明做了详细的说明，但并不是将本发明限定于具有所有上述组成部分的实施例中。另外，可以将某实施例的部分技术特征置换为其他实施例中的技术特征，还可以将某实施例的部分组成追加到其他的实施例中。此外，对每个实施例的组成的局部，可以用其他技术特征进行追加、置换，或者将其删除。