KR100286354B1 - 엘리베이터 전력변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘리베이터 전력변환장치에 관한 것으로, 종래에는 엘리베이터가 기동하고 컨버터가 스위칭을 개시한 후 전원전압과 동상의 전압이 설정치에 도달해야만 무효전류지령이 발생하므로 유효전류가 일정치 이상 인가되기전까지는 초기의 제어가 불안정하고, 또한 동상전압제어기가 과도부하에 대하여 민감하게 동작하며, 실제 전압이 상승되지 않아도 전류제어기의 성능에 따라 불필요하게 동작할 수 있는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 전원전압과 동상의 전압을 제어하는 동상전압제어기와 동상전압의 제한치를 설정하는 동상전압제한설정부를 구비한 제어부의 제어에 의해 3상교류전원을 직류전원으로 변환하고 이 직류전원을 다시 상기 제어부의 제어에 의해 교류전원으로 가변하여 엘리베이터를 구동하는 엘리베이터 전력변환장치에 있어서, 상기 제어부의 동상전압제어기 및 동상전압제한설정부를 주콘텍터의 오프상태를 직접 검출하고 직류전압을 검출하는 직류전압검출기와 그 검출된 직류전압의 크기에 따라 무효전력을 발생시키는 무효성분전류신호발생기로 대체하여 구성함으로써 엘리베이터 수용측의 전압변동에 대하여도 우수한 컨버터 제어성능을 발휘할 수 있어 전체 비용을 절감할 수 있고, 또한 지역에 따른 전원전압의 크기가 달라도 특정범위까지는 별도의 변압기 없이 컨버터의 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

Description

엘리베이터 전력변환장치

본 발명은 엘리베이터 전력변환장치에 관한 것으로, 특히 입력전압의 변동에 대하여 유연하게 대처하고 전원사양에 대하여 별도의 변압기없이 컨버터를 고성능으로 동작할 수 있도록 한 엘리베이터 전력변환장치에 관한 것이다.

일반적으로 엘리베이터 전력변환장치의 컨버터는 교류전력을 직류전력으로 변환하는 것으로 크게 다이오드정류방식과 스위칭소자를 이용하는 제어식이 있다.

상기 다이오드정류형은 전원전압의 변동과 사양에 영향이 적지만 회생전력의 처리가 곤란하므로 소용량에 사용되고 제어식컨버터방식은 회생전력의 처리 및 역류제어가 용이하여 다이오드방식에 비하여 큰 장점을 가지지만 전원전압의 사양과 전압의 변동에 대하여 성능이 저하되거나 기동이 불가능하다.

도1은 엘리베이터 전력변환장치에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시된 바와같이 3상교류전원을 입력받아 이를 직류전원으로 변환하는 컨버터부(100)와; 상기 컨버터부(100)의 직류전원을 입력받아 이를 다시 교류전원으로 변환하고 이 교류전원에 의해 구동되는 전동기로 이루어진 인버터부(200)와; 상기 컨버터부(100) 및 인버터부(200)의 스위칭동작을 제어하여 전압 및 전류를 제어하는 제어부(300)로 구성된다.

상기 컨버터부(100)는 전원전압을 MCCB를 통해 입력받아 전류제어 및 승압작용을 하는 3상리액터(1)와; 역률 제어를 위하여 전원의 위상을 검출하는 트랜스포머(2)와; 상기 3상리액터(1)에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기(3)와; 전력반도체소자(S1~S6)를 구동하는 게이트드라이버(4)와; 상기 전력반도체소자(S1~S6)에 의해 변환된 직류전원을 평활하는 평활콘덴서(C1)와; 상기 평활콘덴서(C1)의 직류전압을 검출하는 직류전압검출기(5)로 구성된다.

상기 인버터부(200)는 상기 컨버터부(100)의 직류전압을 다시 교류로 변환하는 전력반도체소자(S7~S12)와; 상기 전력반도체소자(S7~S12)의 구동을 제어하는 게이트드라이버(6)로 구성된다.

도2는 상기 제어부(200)의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 직류전압검출기(5)에 의해 검출된 직류전압을 입력받아 이를 전압지령과 가산하는 제1 가산기(301)와; 상기 제1 가산기(301)에 의해 가산된 값을 입력받아 그에 따른 전압지령을 발생하는 전압제어기(9)와; 전류검출기(3)에 의해 검출된 전류를 입력받아 이를 유효전류성분과 무효전류성분으로 분리하는 좌표변환기(14)와; 상기 좌표변환기(14)의 유효전류성분을 입력받아 이를 상기 전압제어기(9)의 전압지령과 가산하는 제2 가산기(302)와; 상기 제2 가산기(302)에 의해 가산된 값을 입력받아 역률이 1이 되도록 제어하는 전류제어기(10)와; 상기 전류제어기(10)의 출력을 입력받아 이를 미리 전원전압으로부터 구해진 소정의 전압과 가산하여 그에 따른 전압지령신호를 출력하는 제3 가산기(303)와; 상기 제3 가산기(303)의 전압지령신호를 입력받아 이를 동상전압제한설정부(8)의 동상전압에 대한 제한설정치와 가산하는 제4 가산기(304)와; 상기 제4 가산기(304)에 의해 가산된 값을 입력받아 그에 따라 전원전압과 동상의 전압을 제어하는 동상전압제어기(7)와; 상기 동상전압제어기(7)의 제어전압과 상기 좌표변환기(14)의 무효전류성분을 가산하는 제5 가산기(305)와; 상기 제5 가산기(305)에서 가산된 값을 입력받아 무효성분전류를 제어하는 전류제어기(11)와; 상기 전류제어기(11)의 출력을 입력받아 이를 미리 전원전압으로부터 미리 구해진 소정의 전압에 가산하여 그에따른 전압지령신호를 출력하는 제6 가산기(306)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래 엘리베이터 전력변환장치에 대한 동작을 설명한다.

먼저, 컨버터부(100)는 3상교류전원을 입력받아 이를 직류전원으로 변환하는데, 이때 상기 컨버터부(100)에 흐르는 전류를 리액터(1)로 제어하고, 전류검출기(3)는 상기 리액터(1)에 흐르는 전류를 검출하여 그 검출신호를 제어부(300)에 인가하며, 이에 의해 제어부(300)는 그 검출신호에 따른 스위칭제어신호를 게이트드라이버(4)에 인가한다.

그러면, 상기 게이트드라이버(4)는 상기 스위칭제어신호에 따른 구동신호를 전력반도체소자(S1~S6)에 인가하고, 이에따라 상기 컨버터부(100)의 전력반도체소자(S1~S6)는 상기 게이트드라이버(4)의 구동신호에 의해 구동되어 3상교류전원을 직류전원으로 변환하며, 이 변환된 직류전원은 평활콘덴서(C1)에 의해 평활되고 그 직류전압은 직류전압검출기(5)에 의해 검출된다.

이후, 인버터부(200)는 상기 컨버터부(100)의 직류전원을 입력받아 이를 다시 교류전원으로 변환하여 전동기의 구동을 제어한다.

이때, 제어부(300)는 상기 컨버터부(100) 및 인버터부(200)의 전력반도체소자(S1~S12)에 대한 스위칭동작을 제어한다.

여기서, 상기 제어부(300)의 동작을 상세히 설명한다.

먼저, 제1 가산기(301)는 직류전압검출기(5)에 의해 검출된 직류전압을 입력받아 이를 전압지령과 가산하고, 전압제어기(9)는 상기 제1 가산기(301)에 의해 가산된 값을 입력받아 그에 따른 전압지령을 발생한다.

한편, 좌표변환기(14)는 전류검출기(3)에 의해 검출된 전류를 입력받아 이를 유효전류성분과 무효전류성분으로 분리하고, 이때 제2 가산기(302)는 상기 좌표변환기(14)의 유효전류성분을 입력받아 이를 상기 전압제어기(9)의 전압지령과 가산하여 그 가산된 연산값을 전류제어기(10)에 인가한다.

이에따라, 상기 전류제어기(10)는 상기 제2 가산기(302)에 의해 가산된 값을 입력받아 역률이 1이 되도록 하는 제어를 수행한다.

이후, 제3 가산기(303)는 미리 전원전압으로부터 구해진 소정의 전압과 상기 전류제어기(10)의 출력을 가산하여 그에 따른 전압지령을 출력한다.

여기서, 제4 가산기(304)는 상기 제3 가산기(303)의 전압지령을 입력받아 이를 동상전압제한설정부(8)의 동상전압에 대한 제한설정치를 가산하여 그 가산값을 동상전압제어기(7)에 인가한다.

이에따라, 상기 동상전압제어기(7)는 상기 제4 가산기(304)의 가산값을 입력받아 그에 따라 전원전압과 동상의 전압을 제어한다.

이후, 제5 가산기(305)는 상기 동상전압제어기(7)의 출력을 입력받아 이를 좌표변환기(14)의 무효전류성분과 가산하여 그 가산값을 전류제어기(11)에 인가하며, 이에 의해 상기 전류제어기(11)는 상기 제5 가산기(305)의 가산값을 입력받아 그에 따른 무효성분전류를 제어한다.

이때, 제6 가산기(306)는 상기 전류제어기(11)의 출력과 미리 전원전압으로부터 구해진 소정의 전압에 가산하여 그에 따른 전압지령을 발생한다.

즉, 엘리베이터가 풀로드로 운전하면 평활용콘덴서(C1)의 에너지는 모터로 투입되고, 이에 의해 직류전압이 저하되면 전압제어기(9)가 동작하여 유효전력성분전류지령을 발생한다.

여기서, 상기 전류제어기(10)는 상기 유효전력성분전류지령의 전류가 리액터(1)로 흐르도록 전압지령을 발생한다.

이때, 전원전압이 높은 경우는 전압지령이 높아지게 되는데, 동상전압제한설정부(8)의 설정값과의 차가 동상전압제어기(7)로 입력되어 무효전력성분 전류지령을 발생한다.

상기 무효전력성분전류지령이 발생되면 전류제어기(11)가 전압지령을 발생하여 무효성분전류가 흐르게 되는데, 아래 수식과 같은 전압방정식에서 전압지령은 컨버터부(100)가 낼 수 있는 전압범위내로 낮아져서 안정된 제어가 수행된다.

이때, 전압지령은 무효성분전류값이 클수록 낮아지므로 컨버터부(100)가 발생해야 할 전압은 sqrt(Vqe^2+Vde^2)으로 되어 낮아진다.

----------식(1)

----------식(2)

E_qe :전원전압의 크기

V_de :컨버터의 출력전압,전원전압과 동상분전압

V_de :컨버터의 출력전압,전원전압과 90도 위상차를 가진 전압

I_qe :유효전력성분 전류

I_de :무효전력성분 전류

R:리액터의 저항

L:리액터의 인덕턴스

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래장치는 엘리베이터가 기동하고 컨버터가 스위칭을 개시한 후 전원전압과 동상의 전압이 설정치에 도달해야만 무효전류지령이 발생하므로 유효전류가 일정치 이상 인가되기전까지는 초기의 제어가 불안정하고, 또한 동상전압제어기가 과도부하에 대하여 민감하게 동작하며, 실제 전압이 상승되지 않아도 전류제어기의 성능에 따라 불필요하게 동작할 수 있는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 입력전압의 변동에 대하여 유연하게 대처하고 지역에 따른 전원사양에 대하여 별도의 변압기없이 컨버터를 고성능으로 동작할 수 있도록 한 엘리베이터 전력변환장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 엘리베이터 전력변환장치에 대한 구성을 보인 회로도.

도2는 도1에 있어서, 제어부의 구성을 보인 회로도.

도3은 본 발명 엘리베이터 전력변환장치에 대한 구성을 보인 회로도.

도4는 도3에 있어서, 직류전압의 변화를 보인도.

도5는 도3에 있어서, 초기 무효전류지령발생에 대한 동작흐름도.

도6은 도3에 있어서, 무한루틴 무효전류지령발생에 대한 동작흐름도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:3상리액터 2:트랜스포머

3:전류검출기 5a:직류전압검출기

9:전압제어기 10,11:전류제어기

14:좌표변환기 18:무효성분전류지령발생기

401~405:가산기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전원전압과 동상의 전압을 제어하는 동상전압제어기와 동상전압의 제한치를 설정하는 동상전압제한설정부를 구비한 제어부의 제어에 의해 3상교류전원을 직류전원으로 변환하고 이 직류전원을 다시 상기 제어부의 제어에 의해 교류전원으로 가변하여 엘리베이터를 구동하는 엘리베이터 전력변환장치에 있어서, 상기 제어부의 동상전압제어기 및 동상전압제한설정부를 주콘텍터의 오프상태를 직접 검출하고 직류전압을 검출하는 직류전압검출기와 그 검출된 직류전압의 크기에 따라 무효전력을 발생시키는 무효성분전류신호발생기로 대체하여 구성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 엘리베이터 전력변환장치에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도3은 본 발명 엘리베이터 전력변환장치에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에 도시한 바와같이 일반적인 구성은 종래 도1 및 도2와 동일하고, 다만 종래와 달리 3상전원의 각상에 주콘텍터(16)를 접속하고 이 주콘텍터(16)에 각기 병렬로 충전용저항(R1~R3))를 접속하며, 또한 제어부(300)의 동상전압제어기(7) 및 동상전압제한설정부(8)를 상기 주콘텍터(16)가 오프상태인가를 검출함과 아울러 직류전압을 검출하는 직류전압검출기(5a)와 그 검출된 직류전압의 크기에 따라 무효전력을 발생시키는 무효성분전류신호발생기(18)로 대체하여 구성하며, 이와같이 구성된 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 일반적인 동작은 종래와 동일하다. 즉, 컨버터부(100)는 3상교류전원을 입력받아 이를 직류전원으로 변환하는데, 이때 상기 컨버터부(100)에 흐르는 전류를 리액터(1)로 제어하고, 전류검출기(3)는 상기 리액터(1)에 흐르는 전류를 검출하여 그 검출신호를 제어부(300)에 인가하며, 이에의해 제어부(300)는 그 검출신호에 따른 스위칭제어신호를 게이트드라이버(본발명 도3에서는 미도시)에 인가한다.

그러면, 상기 게이트드라이버는 상기 스위칭제어신호에 따른 구동신호를 전력반도체소자(S1~S6)에 인가하고, 이에따라 상기 컨버터부(100)의 전력반도체소자(S1~S6)는 상기 게이트드라이버의 구동신호에 의해 구동되어 3상교류전원을 직류전원으로 변환하며, 이 변환된 직류전원은 평활콘덴서(C1)에 의해 평활되고 그 직류전압은 직류전압검출기(5a)에 의해 검출되는데, 또한 상기 직류전압검출기(5a)는 컨버터부(100)의 전압부족현상에 유연하게 대처하기 위한 주콘텍터(16)가 오프상태인가를 검출함과 아울러 무효전력성분 전류발생의 기준이 된다.

이후, 인버터부(200)는 상기 컨버터부(100)의 직류전원을 입력받아 이를 다시 교류전원으로 변환하여 모터의 구동을 제어한다.

이때, 제어부(200)는 상기 컨버터부(100) 및 인버터부(200)의 전력반도체소자(S1~S12)에 대한 스위칭동작을 제어한다.

여기서, 다만 본 발명은 종래 제어부(200)의 동상전압제어기(7) 및 동상전압제한설정부(8)를 주콘텍터(16)가 오프상태인가를 검출함과 아울러 직류전압을 검출하는 직류전압검출기(5a)와 그 검출된 직류전압의 크기에 따라 무효전력을 발생시키는 무효성분전류지령발생기(18)로 대체하여 구성함으로써 직류전압의 크기에 따라 무효성분전류지령을 발생한다.

여기서, 도5를 참조하여 초기 무효전류지령의 발생에 대한 동작을 설명한다.

일반적으로 엘리베이터는 기동하지 않을때는 주 콘텍터(16)가 오프상태를 유지하는데, 이 주콘텍터(16)가 오프상태에 있어도 콘덴서(C1)는 충전저항(R1~R3)에 의하여 전압이 충전된다.

이때, 제어부(300)의 직류전압검출기(5a)는 상기 주 콘텍터(16)가 오프상태인지를 검출함과 아울러 평활용콘덴서(C1)에 걸리는 직류전압을 검출한다.

이후, 소정 시간후에 직류전압을 다시 검출하여 이전 값과의 차(dVdc/dt)가 소정치 (K1)이하이면 평균치 연산을 위한 직류전압의 가산값(Vdc_sum)에 그 직류전압을 가산한다.

여기서, 이전의 직류전압(Vdc)과 현재의 직류전압(Vdc)의 차(dVdc/dt)가 소정치 이상이면 직류전압이 변화하고 있는 상태의 구간이므로 평균 직류전압을 계산하는 값에서 제외하도록 동작한다.

즉, 상기에서 직류전압의 검출은 소정시간동안 직류전압의 크기가 소정치 이하일 경우에만 유효한 값으로하여 소정횟수(K) 동안 평균한다.

따라서, 소정 검출횟수(K)로 직류전압의 가산값(Vdc_sum)을 나누면 직류전압의 평균치(Vdc_ave)가 계산되고, 또한 검출된 직류전압의 평균치의 크기에 따라서 무효전력성분지령이 발생되는데, 이렇게 발생된 무효전력성분지령이 엘리베이터 기동시 전류제어기(11)의 지령이 된다.

여기서, 상기 직류전압검출기(5a)는 엘리베이터가 정지해 있을때 평활콘덴서(C1)의 직류전압을 검출하고, 이때 무효성분전류지령발생기(18)는 검출된 직류전압의 크기가 클수록 그에 비례하여 무효전력성분 전류지령을 발생한다.

도4는 직류전압의 변화에 대한 흐름도로서, 초기 MCCB가 온되면 평활용콘덴서(C1))의 전압은 도 4의 A구간과 같은 파형으로 충전되며 전원전압의 크기에 따라 B의 구간으로 충전완료 상태를 유지한다.

이때, 엘리베이터가 기동되면 도4의 C와 같이 소정전압으로 승압되어 운행동안 유지하다가 정지하면 도4의 E와 같이 서서히 방전한다.

이후, 방전이 완료되면 도4의 F와 같이 전원전압에 의하여 충전된 상태로 다시 유지되다가, 다시 기동하면 도4의 G의 곡선으로 승압되어 운전된다.

이때, 전원전압의 크기를 직류전압으로부터 검출할 수 있는 구간은 직류전압의 변화가 거의 없는 도4의 B와 F구간인데, 초기 루틴에서는 도4의 B구간에서 직류전압을 검출하여 무효전력성분전류지령을 계산하고 무한루틴에서는 도4의 F의 구간을 검출하여 무효전력성분전류지령을 계산한다.

즉, 엘리베이터는 전원이 켜지면 상당히 오랜시간동안 전원이 오프되지 않는다, 전원의 부하상태에 따라서 전원전압이 변동하므로 이 변동에 유연하게 대처할 필요가 있다.

그래서, 본 발명은 엘리베이터가 운전하지 않고 상당시간 대기중일 때는 직류전압이 전원전압의 평활된 도4의 F구간과 같은 크기로 되므로 이때, 직류전압을 검출하여 무효전력성분전류지령을 계산하여 새로운 지령으로 갱신한다.

이후, 엘리베이터 기동시 갱신된 무효전력성분 전류지령을 전류제어기(11)의 새로운 지령으로 한다.

도6은 무한루틴 무효전류지령발생에 대한 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와같이 도5의 초기 무효전류지령발생에 대한 동작흐름도와 유사하지만 연산중에 엘리베이터가 기동될 수 있으므로 소정 횟수를 검출하기전에 엘리베이터가 기동하면 현재 까지 검출된 직류전압의 가산값(Vdc_sum)과 검출횟수(K)를 무시하고 클리어하는 루틴이 추가된다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 엘리베이터 수용측의 전압변동에 대하여도 우수한 컨버터 제어성능을 발휘할 수 있어 전체 비용을 절감할 수 있고, 또한 지역에 따른 전원전압의 크기가 달라도 특정범위까지는 별도의 변압기 없이 컨버터의 성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 전원전압과 동상의 전압을 제어하는 동상전압제어기와 동상전압의 제한치를 설정하는 동상전압제한설정부를 구비한 제어부의 제어에 의해 3상교류전원을 직류전원으로 변환하고 이 직류전원을 다시 상기 제어부의 제어에 의해 교류전원으로 가변하여 엘리베이터를 구동하는 엘리베이터 전력변환장치에 있어서, 상기 제어부의 동상전압제어기 및 동상전압제한설정부를 주콘텍터의 오프상태를 검출함과 아울러 직류전압을 검출하는 직류전압검출기와 그 검출된 직류전압의 크기에 따라 무효전력을 발생시키는 무효성분전류지령발생기로 대체하여 구성한 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전력변환장치.
2. 제 1 항에 있어서, 직류전압검출기는 엘리베이터가 정지해 있을 때 평활콘덴서의 직류전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전력변환장치.
3. 제 1 항에 있어서, 무효성분전류지령발생기는 직류전압검출기에서 검출된 직류전압의 크기에 비례하여 무효성분전류지령을 발생하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전력변환장치.
4. 제 1 항 또는 제2 항에 있어서, 직류전압검출기는 소정시간동안 직류전압의 크기가 소정치 이하일 경우에만 직류전압검출을 유효한 값으로하여 소정 횟수동안 평균하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전력변환장치.