승강기 속도제어 특허기술

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승강기 속도제어 특허기술

 

 

승강기는 현존하는 자동화 기술의 집합체이다. 이러한 승강기 제어에 필요한 가장 중요한 물리량은 견인력과 속도이다. 이번 호에서는 보다 다양한 승강기 속도제어 방식과 이와 관련한 특허기술을 알아보자.

 

글 이상훈(동의과학대학교 교수)

 

 

 

승강기 속도제어, 인버터 방식이 보편적

 

현대 사회에 수직 교통수단으로서 자리잡은 승강기의 정확한 제어를 위해 속도제어, 전류제어, 진동억제제어, 인버터 위치제어 등에 대한 연구가 이뤄지고 있다. 또한 속도 정보를 이용하여 승강기의 층 운행정보를 상위제어시스템과 사용자에게 정보로 제공하는 연구도 활발하다. 승강기의 구동제어 기술에서는 유도전동기 효율과 제어 성능을 크게 향상시킨 인버터 제어방식이 보편화되어 있다. 승강기에 있어 속도제어란 승강기의 속도를 발생시키는 권상기의 전동기를 제어함을 뜻한다. [그림 1]과 같이 사용하는 전동기의 종류에 따라 교류 전동기를 사용한 교류 승강기와 직류 전동기를 사용한 직류 엘리베이터로 나눌 수 있다. <표 1>은 승강기 속도제어방식의 변천을 나타내고 있다. 1970년대 이전에는 큰 변화가 없으며, 제조회사에 따라 차이가 있을 수 있다.

 

 

[그림 1] 전동기의 분류

 

 

 

<표 1> 승강기 제어방식의 변천

 

 

 

 

1970년대 주로 사용 되던 직류 속도제어 방식

 

 

승강기의 직류 속도제어 방식은 전력에서 주파수와 크기를 자유롭게 제어하지 못하던 1970년대 주로 사용 되던 방식으로 직류분권 모터의 속도 제어 방식 중 전기자 회로나 계자회로에 저항을 삽입하여 계자의자속이나 전기자의 전류를 제어하는 방법이었다. 그러나 전류제어를 위해 저항 삽입을 통한 전류제한 방식의 전류제어는 저항으로 인한 전력 손실을 유발함으로 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이에 워드레오나드(Word Leonard)는 유도전동기와 직류발전기는 같은 축에 직결하여 직류발전기의 직류출력을 직류전동기(주전동기)의 전기자 단자에 공급하는 구조를 제안하고, 속도제어는 발전기의 자계를 조절하여 발전기의 직류전압을 제어함으로서 직류전동기의 속도를 제어하는 방식을 제안하였다.

 

승강기의 직류 속도제어는 전동발전기(M·G：motor-generator)의 계자를 제어하여 행하는 워드레오나드(Ward Leonard) 방식이 대부분이다. 최근에는 전력전자기술의 발달로 전동발전기 대신에 싸이리스터로 구성된 정류기로 점호각을 제어하여 전압을 변환하는 정지형 컨버터(Static Leonard)을 이용하는 정지레오나드 방식이 주로 사용 되어 고속 승강기에 적용된다. 하지만 이 두 방식도 반도체 소자의 발달로 인해 교류 전동기의 효율이 직류 전동기의 효율 못지않게 높아짐에 따라 사양되고 있다.

직류 엘리베이터는 90, 105m/min의 기어부착(Geared) 엘리베이터와 120m/min이상의 무기어(Gearless) 엘리베이터에 적용되는 것이 보통이다.

 

 

승강기 대부분이 교류 전동기 이용한 권상기 사용

 

교류 승강기란 전기기기의 회전기 종류 중 교류기를 이용하여 만든 권상기를 사용한 엘리베이터의 총칭이다. 전기기기의 교류 회전기는 크게 ‘동기기’와 ‘유도기’로 나눌 수 있다. 이 중 유도전동기는 구조적으로도 간단하고 경제적인 면에서 유리한 점이 있기 때문에 승강기의 대부분이 이 교류 전동기를 이용한 권상기를 많이 사용하고 있으며, 유도전동기의 속도 제어 방법에는 다음 4가지 종류가 있다.

 

• 교류일단 속도제어

• 교류이단 속도제어

• 교류귀환제어

• VVVF제어(가변전압 가변주파수 : Variable Voltage Variable Frequency)

교류 전동기를 이용한 승강기는 오랜 세월동안 60m/min 이하의 속도에 적용되고, 교류1단또는 교류2단 속도제어방식이 채택되어 왔다. 그러나 반도체의 이용기술이 진보하여 1965년대 후반부터 교류귀환제어가 실용화되어 속도도 90, 105m/min까지 적용범위가 확대되었다.

다시 1985년대부터는 VVVF제어가 실용화되어 120m/min이상의 고속영역도 포함한 전 속도영역에 교류 전동기를 이용한 권상기가 적용 가능하게 되었다. 엘리베이터의 속도에 대한 도전은 여기서 끝나지 않았고 건물의 층수가 점점 올라갈수록 고층 건물의 승강기에 적용할 권상기는 좀 더 복잡한 속도제어 방법을 통한 고효율 운전을 요구받게 되었다. 이러한 시대적 요청에 대한 지속적인 관련 기술의 발전과 더불어 1995년에 미쓰비시 엘리베이터가 기존의 유도 전동기가 아닌 동기 전동기를 적용한 분당 1,080m의 엘리베이터를 개발하게 됨으로써 유도 전동기의 시대에서 동기 전동기의 시대로의 전환을 맞이하게 되었다.

 

 

특허를 통해 알아보는 현재 승강기 속도제어와 관련된 기술들

 

 

승강기는 사람을 수직으로 운송하는 교통수단으로서 이용하는 사람들을 얼마나 안전하고 안락하게 목적층까지 운송할 수 있는가가 관심에 대상이 되어왔으며 이로 인한 승강기의 승차감 개선에 관한 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 승강기는 기동 및 정지가 빈번하게 발생하는 기계로서 속도변동의 폭이 크다. 이와 같은 환경에서 이용하는 사람들의 안락함을 유지하기 위해서는 급격한 가감속을 피하기 위한 [그림 4]와 같은 넓은 범위의 속도패턴을 요구하게 된다.

이렇듯 승강기의 속도에 대한 정보는 이용자의 안락함과 안전에 직결된 중요한 정보로서 이것을 계측하고 제어하기 위한 많은 특허들이 등록되어 있다. 승강기의 카의 속도를 모니터링하기 위해 승강기 승강실의 속도를 모니터닝 하는 방법 및 검출 시스템(10-2006-0110827) 특허가 등록되어 있다.

이 특허는 모터 브레이크의 브레이크 고장 또는 구동 풀리 샤프트의 샤프트 파손에 의해서 야기된 초과 속도의 경우에, 안전 회로는 개방되고 검출 시스템은 정상 동작 상태(1을 갖는 원)로부터 감속상태(2를 갖는 원)로 이동되며, 이 감속 상태에서 규정된 사전-설정 속도 후로 감속되는지가 모니터링 된다. 성공적인 감속 후에 검출 시스템은 승강기 승강실이 정지 위치를 벗어나 있는지가 모니터링 되는 정지 모니터링(3을 갖는 원)의 상태로 이동된다. 상태 2 또는 상태 3의 사전 설정 속도가 충족되지 않으면, 검출 시스템은 승강기 승강실을 고정시키는 브레이크가 활성화되는 브레이크의 브레이킹 상태(4를 갖는 원)로 이동하도록 하는 내용이다. 이 특허는 승강기 승강실의 속도가 간단한 수단에 의해 모니터링 될 수 있는 방법을 제시하는 목적이 있다.

 

 

 

 

 

 

이와 같은 다단속 속도패턴제어를 최적화 위해 미쓰비시사는 엘리베이터의 제어장치(10-2006-0017621)라는 특허를 내 놓았다. 이는 속도 지령치와 속도 신호로부터 토크 지령치를 발생하는 속도 제어장치를 구비하고, 상기 토크 지령치에 의해 전력 변환 장치로 전동기를 제어하여 카 및 균형추를 승강시키는 엘리베이터에 있어
서, 엘리베이터가 브레이크를 개방한 소정시간 후, 기동시의 토크 지령을 유지하여, 그 토크 지령에 따라, 카의 저크, 가감 속도, 정격 속도를 결정하는 속도 패턴을 변경하는 엘리베이터의 제어장치이다. 또, 카 내하중을 검출하여 저울 신호를 출력하는 저울 장치를 설치하고, 상기 저울 신호에 의해 상기 카 측과 균형추 측의 불평형 하중을 연산하고, 이 불평형 하중에 근거하여 상기 토크 지령치를 보정하는 엘리베이터에 있어서, 토크 지령에 따라, 카의 저크, 가감 속도, 정격 속도를 결정하는 속도 패턴을 변경한다.

이 특허의 핵심 기술은 카에 중량을 감지하여 평행추와 불균형을 고려하여 승강기 속도 패턴을 능동적으로 변화시키는 기술로서 기존의 개발자가 정해놓은 속도 패턴에 의해 운행하는 승강기에서 벗어나 운행조건에 따라 승강기가 스스로 속도 패턴을 진화시킬 수 있는 시스템을 구축하고 있다. 승강기의 승차감 개선을 위해 속도의 패턴을 제어하는 방법 이외에 가변 속도제어 및 부하 변동으로 인해 발생하는 진동을 저감시키기 위한 많이 노력하고 있다.

이러한 진동 저감을 위해 권상기의 전류를 제어함으로서 진동의 직접적 제어가 가능하도록 한다. 엘리베이터 진동저감을 위한 인버터 제어 방법 및 그 장치(10-2006-0005445)는 승강기의 진동저감을 통한 승차감 개선을 목적으로 한다. 이 특허는 엘리베이터 진동저감을 위한 인버터 제어 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엘리베이터의 기계적 진동을 억제하여 보다 승차감을 향상시킨다. 일정 속도 구간에서 속도 제어기 출력인 토크 전류의 리플(ripple)의 크기를 측정하여 그 측정치가 미리 설계되어 있는 한계치를 초과하는 경우 리플의 크기를 줄이도록 속도 제어기의 이득을 낮추어 엘리베이터 카의 진동을 작게 하고 결과적으로 승차감을 개선하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

 

 

승강기 속도제어 기술 연구는 계속 된다!

 

승강기의 운전제어와 관련해서는 마이크로 프로세서 기술의 도입으로 비약적으로 발전하고 있다. 제어기를 분산시킴으로써 효율성 및 안전성을 도모하는 분산제어 기법이 도입되고 있으며, 엘리베이터의 제어에 리얼타임 운영체제(RTOS)가 도입됨에 따라 신호처리제어기술, 시뮬레이션 및 모델링 기술, 위치제어 기술이 주목받고 있다. 일군의 승강기에 대한 그룹 운전 제어기술은 최소의 대수로 교통흐름을 극대화시키고 유연하면서 사용자위주로 운행하기 위해 퍼지시스템, 전문가시스템, 인공지능시스템, 신경회로망시스템, 컴퓨터 비전 시스템(Computer Vision System) 기술이 도입되고 있다.