KR100365322B1 - 엘리베이터의 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엘리베이터의 제어장치에 관한 것으로, 종래의 엘리베이터의 주행 제어장치는 토크가 요구되지 않는 구간에서도 항상 자속분 전류를 일정하게 인가함에 따라 유도전동기에 손실이 나타나고, 또한 유도전동기에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와 인버터 장치의 성능이 실제로 이상적이지 못하므로, 유도전동기에서 승차감에 악영향을 주는 맥동토크가 발생하게 되어, 엘리베이터의 정속 주행시간이 긴 아파트와 같은 곳에서 높은 유도전동기의 효율과 안락한 승차감을 기대하기 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 유도전동기를 회전시키기 위한 속도지령과 실제 속도의 오차에 의한 토크지령을 출력하는 속도 제어부와, 승강기 내부의 부하를 검출하는 부하 검출부와, 상기 승강기와 승강기의 부담을 줄이기 위한 균형추간의 불평형 토크를 연산하는 부하토크 변환부와, 상기 토크지령과 실제 자속 및 불평형 토크를 입력으로 토크분 전류를 연산하는 토크전류 변환부와, 일정한 고정자속과 실제 자속간의 오차에 의해 자속분 전류를 연산하는 자속 제어부와, 상기 토크분전류및 자속분 전류와 실제 전류간의 오차에 의해 유도전동기에 실제 토크를 발생하도록 인버터 장치에 전압지령을 출력하는 전류 제어부와, 상기 속도 제어부에서 출력되는 토크지령으로 부터 자속지령을 연산하여 상기 자속 제어부로 출력하는 자속지령 연산부로 구성하여, 주행중 전류를 작게 흐르도록 하여 토크맥동으로 인한 진동을 저감하여 안락한 승차감을 이룰 수 있도록 한 것이다.

Description

엘리베이터의 제어장치{ELEVATOR CONTROL APPARATUS}

본 발명은 엘리베이터의 제어장치에 관한 것으로, 특히 유도전동기의 전력손실을 최소화 하는 부하토크와 고정자 자속의 조합을 항시 정확히 연산, 검출하고, 이로써 유도전동기의 효율을 높이도록 한 엘리베이터의 제어장치에 관한 것이다.

근대에 건물의 고층화가 가속되고 있으며, 이에 따라 점차 엘리베이터의 수요가 증가하고 있다.

이에 따라 다양한 엘리베어터가 나타나고 있으며, 이들 엘리베이터의 주 목적은 신속하고 안락하게 사용자가 목적하는 층 까지 이동하는데 있다.

최근의 엘리베이터들은 대용량, 초고속의 형태로 그 규모가 커져 가고 있고, 이와 함께 엘리베이터의 승차감의 개선과 함께 최근 부각되고 있는 녹색운동에 대한 관심으로 전력 저감에 대한 호응도가 높아지고 있다.

이에 전력 절감형 엘리베이터를 위한 제어방법이 요구되고 있다.

도 1은 일반적인 2:1 로핑(Roping) 방식의 엘리베이터 주행 제어장치에 대한 블럭도로서, 이에 도시된 바와같이, 유도전동기를 회전시키기 위한 속도지령을 내리는 속도패턴 연산부(1)와, 상기 속도지령과 실제 속도의 오차에 의해 유도전동기의 토크분 전류지령(Iq_ref)을 출력하는 속도 제어부(2)와, 승객을 원하는 층으로 이동시키는 승강기(12)와, 상기 승강기(12) 하부에 설치되어 승강기 내부의 무게에 비례하는 출력을 내는 부하 검출부(13)와, 유도전동기(6)의 출력 토크를 승강기(12)로 전달하는 로프 풀리(14) 및 로프(15)(16)와, 상기 승강기(12)와 평형을 맞추어 상기 유도전동기(6)의 부담을 줄이는 균형추(17)와, 상기 부하 검출부(13)의 출력으로써 상기 승강기(12)와 균형추(17)의 불균형 토크를 연산하여 토크분 전류지령(Iq-ref)에 가감하는 부하전류 변환부(11)와, 상기 유도전동기(6)에 인가되는 실제 전류를 검출하는 전류 검출부(5)와, 상기 전류 검출부(5)의 출력으로 실제 고정자 자속을 연산하는 자속 연산부(9)와, 일정한 고정자 자속지령(7)과 실제 자속의 오차에 의해 유도전동기(6)의 자속분 전류지령(Id_ref)을 출력하는 자속 제어부(8)와, 상기 전류지령(Iq_ref,Id_ref)들과 실제 전류의 오차에 의해 유도전동기(6)가 실제 토크를 발생하도록 전압지령을 출력하는 전류 제어부(3)와, 상기 전류 제어부(3)의 전압지령을 받아 실제 전압을 상기 유도전동기(6)에 인가하는 인버터장치(4)와, 실제 토오크를 발생하는 유도전동기(6)와, 상기 유도전동기(6)의 실제 속도를 검출하여 상기 속도 제어부(2)로 출력하는 속도 검출부(10)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

사용자가 주행명령을 내리면, 이 명령에 의해 속도패턴 연산부(1)는 도 2의 (a)에 도시된 바와같은 속도지령을 속도 제어부(2)로 출력한다.

이때 속도 검출부(10)는 유도전동기(6)의 실제 속도를 검출하여 상기 속도 제어부(2)로 출력한다.

따라서 속도 제어부(2)는 속도패턴 연산부(1)로 부터의 속도 지령과 속도 검출부(10)로 부터의 실제 속도와의 오차를 구하고, 이렇게 구한 오차에 의해 도 2의 (c)에서와 같은 토크분 전류지령(Iq_ref)을 구하여 전류 제어부(3)로 출력한다.

상기 속도 제어부(2)에서 토크분 전류지령을 구할 때, 자속 제어부(8)는 일정한 고정자 자속지령(7)과 실제 자속의 오차를 구하고, 이 자속 오차에 의해 자속분 전류지령(Id_ref)을 구하여 상기 전류 제어부(3)로 출력한다.

여기서 자속 제어부(8)로 일정한 고정자 자속지령(7)이 입력됨에 따라 자속분 전류지령(Id_ref)도, 도 2의 (c)에서와 같이 일정한 크기로 인가된다.

그리고 상기 자속 제어부(8)로 인가되는 실제 자속은 전류 검출부(5)에서 유도전동기(6)에 인가되는 전류를 검출하여 자속 연산부(9)로 제공하면, 상기 자속 연산부(9)는 전류로 부터 연산하여 구한다.

또한, 상기 전류 검출부(5)가 유도전동기(6)에 인가되는 실제 전류를 검출하여 상기 전류 제어부(3)로 출력한다.

이에 따라 상기 전류 제어부(3)는 속도 제어부(2)와 자속 제어부(8)에서 각각 입력되는 전류지령(Iq_ref, Id_ref)과 전류 검출부(5)에서 입력되는 실제 전류의 오차를 구하고, 이 오차에 의한 전압지령을 연산하여 인버터 장치(4)로 전달하고, 이에따라 유도전동기(6)에 전압을 인가하여 유도전동기(6)에서, 도 2의 (b)에 도시된 바와같은, 토크(Te)를 발생시켜 승강기(12)를 주행시키도록 한다.

여기서, 승강기(12) 내부의 무게가 변동하게 되면, 이 변동된 무게로 인한 균형추(17)와 불균형이 생기고, 이로 인하여 승강기 운행을 위해 브레이크를 개방하면 급격한 움직임이 일어난다.

이를 개선하기 위해 승강기(12) 하부에 설치된 부하 검출부(13)에서 승강기(12) 내부의 무게에 비례하는 값을 부하전류 변환부(11)로 출력하게 되고, 이에따라 상기 부하전류 변환부(11)는 부하 검출부(13)의 출력을 받아 균형추(17)와의 불평형 토크분 전류값을 구하여 상기 전류 제어부(3)로 출력한다.

그러면 상기 전류 제어부(3)는 속도 제어부(2)에서 출력하는 토크분 전류에 부하전류 변환부(11)의 불평형 토크분 전류값을 가,감하여 인버터 장치(4)로 인가한다.

따라서, 인버터 장치(4)는 브레이크가 개방되기 전에 균형추(17)와의 불평형 만큼의 토크를 보정하여 기동시의 급격한 움직임을 방지하여 승차감을 개선하도록 한다.

가령, 승강기(12)의 무게와 균형추(17)의 무게가 균형이라면, 도 2의 (b)에 도시된 토크(Te)로 승강기(12)를 움직이기 위해 도 2의 (c)에 도시된 일정한 자속분 전류(Id)와, 속도지령과 실제 속도와의 오차에 의해 연산된 토크분 전류(Iq)로서 유도전동기(6)에 도 2의 (d)에 도시한 바와같은 실제 총 전류(Iac)를 인가한다.

토크(Te)와 전류의 관계는 아래의 수학식1과 같이 토크분 전류(Iq)와 자속분 전류(Id)의 곱의 함수로 나타낼 수 있다.

, 여기서, P는 전동기의 총 자극수, Lm은 전동기의 상호인덕스이고, Lr은 회전자의 인덕턴스이다.

그런데 도 2의 (c)에 나타낸 바와같이 자속분 전류(Id)를 항상 일정하게 인가하므로, 토크가 요구되지 않는 T2구간에서도 자속분 전류(Id)가 인가되고 있다. 이와같이 인가되는 전류(Iac)는 불필요한 에너지이다.

이는 아래의 수학식2에서와 같은 관계식으로 유도전동기의 손실(Loss)로 나타난다.

, 여기서, Rs는 전동기 고정자 저항, Rm은 고정자 철손저항이고, Rr은 전동기 회전자 저항이다.

또한, 부가적으로 유도전동기에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출부(5)의 성능과 인버터 장치(6)의 성능은 실제로는 이상적이지 못하므로, 유도전동기에 소정의 DC성분의 전류(Idc)가 생성된다.

때문에 유도전동기에서는 승차감에 악영향을 주는 맥동토크(Tp)가 발생하게 된다.

이때 유도전동기에서 발생되는 맥동토크(Tp)와, DC성분의 전류(Idc), AC성분의 전류(Iac)와의 관계는 아래의 수학식3으로 나타낼 수 있다.

, 여기서, Wr은 전동기 회전각 속도, Slip 또는 S는 전동기 슬립상수, We는 전동기 전원각속도, 는 AC성분전류의 각이고, 는 DC성분의 각이다.

이로서, T2구간에서 맥동 토크(Tp)를 보면, 전류 검출부(5)와 인버터 장치(4)의 완벽하지 못한 성능에서 존재하는 소정의 DC성분의 전류(Idc)와, T2 구간에서 흐르는 DC성분의 전류(Iac)의 곱의 함수로 나타낼 수 있다.

따라서 이와같이 승차감에 악영향을 미치는 맥동토크 Tp를 항상 가지고 있게 된다.

그러나, 상기에서와 같은 종래 엘리베이터의 주행 제어장치는 토크가 요구되지 않는 구간에서도 항상 자속분 전류를 일정하게 인가함에 따라 유도전동기에 손실이 나타나고, 또한 유도전동기에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부와 인버터 장치의 성능이 실제로 이상적이지 못하므로, 유도전동기에서 승차감에 악영향을 주는 맥동토크가 발생하게 되어, 엘리베이터의 정속 주행시간이 긴 아파트와 같은 곳에서 높은 유도전동기의 효율과 안락한 승차감을 기대하기 어려운 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 유도전동기의 전력손실을 최소화하도록 한 엘리베이터의 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 유도전동기의 주행 중 맥동토크를 줄여 승강기의 고주파 진동을 저감토록 한 엘리베이터의 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 유도전동기의 전력손실을 최소화하는 부하토크와 고정자 자속의 조합을 항시 정확히 연산하는 자속 지령 연산부를 구비한 엘리베이터의 제어장치를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 2:1 로핑(Roping) 방식의 엘리베이터 주행 제어장치에 대한 블럭 구성도.

도 2는 도 1에서, 전동기에 인가되는 토크 및 전류 파형도.

도 3은 본 발명 엘리베이터의 제어장치에 대한 블록 구성도.

도 4는 도 3에서, 전동기에 인가되는 토크 및 전류 파형도.

도 5는 본 발명에서 지령속도와 자속과의 관계를 보여주는 속도 및 자속 특성도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

1 : 속도패턴 연산부 2 : 속도 제어부

3 : 전류 제어부 4 : 인버터 장치

5 : 전류 검출부 6 : 유도전동기

8 : 자속 제어부 9 : 자속 연산부

11 : 부하전류 변환부 13 : 부하 검출부

18 : 토크전류 변환부 19 : 자속지령 연산부

20 : 부하토크 변환부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 승강기를 움직이는 유도전동기와, 이 유도전동기의 속도를 제어하는 속도패턴 연산부 및 속도 제어부와, 전동기의 전류를 제어하는 전류 제어부 및 인버터 장치와, 전동기의 자속을 제어하는 자속 연산부 및 자속 제어부로 이루어진 엘리베이터에 있어서, 상기 속도 제어부의 토크지령을 입력으로 하여 유도전동기의 전력손실을 최소화하는 부하토크와 고정자 자속의 조합을 항시 정확히 연산하는 자속지령 연산부와, 승강기 내부의 무게를 검출하는 부하검출부의 출력으로 승강기와 균형추의 불평형 토크를 연산하는 부하토크 변환부와, 상기 불평형 토크와 상기 토크지령 및 자속을 입력으로 하여 토크분 전류를 연산하는 토크전류 변환부를 더 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명 엘리베이터의 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시한 바와같이, 유도전동기를 회전시키기 위한 속도지령을 내리는 속도패턴 연산부(1)와, 상기 속도지령과 실제 속도의 오차에 의한 토크지령을 출력하는 속도 제어부(2)와, 유도전동기에 인가되는 실제 전류를 검출하는 전류 검출부(5)와, 상기 실제 전류로 부터 자속(λr)을 연산하는 자속 연산부(9)와, 자속지령과 실제 자속의 오차에 의해 자속분 전류지령(Id_ref)을 출력하는 자속 제어부(8)와, 상기 토크지령과 자속 연산부(9)의 자속을 이용하여 토크분 전류지령(Iq_ref)을 연산하는 토크전류 변환부(18)와, 상기 토크분 전류지령(Iq_ref), 자속분 전류지령(Id_ref) 및 실제 전류를 이용하여 전압지령을 연산하여 인버터 장치(4)를 통해 유도전동기(6)에 인가하는 전류 제어부(3)와, 승객을 원하는 층으로 이동시키는 승강기(12)와, 상기 승강기(12)의 하부에 설치되어 승강기 내부의 무게에 비례하는 출력을 내는 부하 검출부(13)와, 상기 유도전동기(6)의 출력 토크를 승강기(12)로 전달하는 로프 풀리(14) 및 로프(15)(16)와, 상기 승강기(12)와 평형을 맞추어 상기 유도전동기(6)의 부담을 줄이는 균형추(17)와, 상기 부하 검출부(13)의 출력으로써 상기 승강기(12)와 균형추(17)의 불균형 토크를 연산하여 토크지령에 가감하는 부하토크 변환부(20)와, 상기 속도패턴 연산부(1)에서 출력되는 속도지령과 속도 제어부(2)에서 출력되는 토크지령으로 부터 자속지령을 연산하여 상기 자속 제어부(8)로 출력하는 자속지령 연산부(19)로 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

사용자가 주행명령을 내리면, 이 명령에 의해 속도패턴 연산부(1)는 도 4의 (a)에 도시된 바와같은 속도지령을 속도 제어부(2)로 출력한다.

이때 속도 검출부(10)는 유도전동기(6)의 실제 속도를 검출하여 상기 속도 제어부(2)로 출력한다.

따라서 속도 제어부(2)는 속도패턴 연산부(1)로 부터의 속도 지령과 속도 검출부(10)로 부터의 실제 속도로 가,감속 토크를 연산하여 도 4의 (b)에서와 같은 토크(Te)지령을 토크전류 변환부(18)로 발생한다.

상기 속도 제어부(2)에서 토크(Te)지령을 구할 때, 자속 연산부(9)는 유도전동기(6)에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부(5)로 부터 실제 전류를 입력받아 실제 자속(λr)을 구하여 상기 토크전류 변환부(18)와 자속 제어부(8)로 각각 발생한다.

그러면 토크전류 변환부(18)는 속도 제어부(2)에서 출력되는 토크(Te)지령과 실제 자속(λr)으로 아래에서와 같은 수학식4에 의하여 토크분 전류지령(Iq_ref)을 연산하여 전류 제어부(13)에 출력한다.

, 여기서, P는 전동기의 총자극수, Lm은 전동기의 상호 인덕턴스이고, Lr은 회전자의 인덕턴스이다.

이상에서와 같은 동작을 수행할 때, 자속지령 연산부(19)는 수학식2의 유도전동기의 손실(Loss)을 최소로 하는 토크분 전류와 자속분 전류의 비를 만족하는 토크(Te)와 자속(λr)의 관계인 아래의 수학식5에 의해 토크 지령으로 부터 자속(λr)지령을 연산한다.

, 여기서, Rs는 전동기 고정자 저항이고, Rr은 전동기 회전자 저항이다.

이렇게 연산한 자속(λr)지령을 자속 제어부(8)로 제공하면, 상기 자속 제어부(8)는 자속지령 연산부(19)에서 출력되는 자속지령과 자속 연산부(9)에서 출력되는 실제 자속의 오차를 통해 자속분 전류지령(Id_ref)을 전류 제어부(3)로 출력한다.

이후, 상기 전류 제어부(3)는 상기 전류지령(Iq_ref, Id_ref)들과 전류 검출부(5)에서 검출한 실제 전류와의 오차를 통해 전압지령을 연산하여 인버터 장치(4)에 전달하고, 이에따라 유도전동기(6)에 전압을 인가하여 유도전동기(6)에서 토크를 발생시켜 승강기(12)를 주행하게 한다.

이와같이 주행하다가 승강기(12) 내부의 무게가 변동할 경우, 이 변동된 무게로 인하여 균형추(17)와의 불평형이 생기고 이로 인하여 승강기 운행중 브레이크를 개방하면 급격한 움직임이 일어나게 되는데, 이를 개선하기 위한 동작은 다음과 같다.

먼저 승강기(12) 하부에 설치된 부하 검출부(13)가 승강기 내부의 변동된 무게에 비례하는 출력을 부하토크 변환부(20)로 출력한다.

그러면 부하토크 변환부(20)는 부하 검출부(13)의 출력값을 받아 균형추(17)와의 불평형 토크를 연산하고, 이 연산한 불평형 토크를 속도 제어부(2)에서 연산한 토크지령에 가감하여 토크전류 변환부(18)로 인가한다.

따라서 브레이크가 개방되기 전에 균형추(17)와의 불평형 만큼의 토크를 보정하여 기동시의 급격한 움직임을 방지하여 승차감을 개선하도록 한다.

그리고, 이때 자속지령 연산부(19)에서 속도패턴 연산부(1)에서 출력되는, 도 5의 (a)에 도시된 바와같은, 속도지령을 추가로 입력받아, 도 5의 (b)에 도시된 바와같은 자속지령의 하한치를 연산한다.

이후에, 상기 자속지령 연산부(19)는 속도지령이 낮을 때 유도전동기의 고정자 자속을 강하게 함으로써 낮은 속도에서 발생할 수 있는 저주파 외란에 강하게 하여, 저속에서의 저주파 진동의 발생을 억제한다.

다시말하면, 자속지령 연산부(19)는 토크(Te)와 자속(λr)의 관계식인 상기 수학식5에서 자속지령을 연산하여, 도 4의 (d)에 도시한 바와같이 유도전동기의 손실(Loss)을 최소로 하는 토크분 전류와 자속분 전류의 비를 만족하게 하여, 총 전류(Iac)가 T2구간에서 절감되도록 한다.

또한, 도4의 T2 구간에서 승차감에 악영향을 주는 유도전동기의 맥동토크(Tp)는 상기 수학식3에서 나타낸 바와같이, 이는 전류 검출부(5)와 인버터 장치(4)의 완벽하지 못한 성능에서 존재하는 DC성분의 전류(Idc), T2 구간에서 흐르는 총 전류(Iac)의 곱의 함수로 나타낼 수 있다.

따라서 본 발명에서는, 도 4의 (d)에서와 같이 T2 구간에서 총 전류(Iac)가 흐르지 않으므로, 승차감에 악영향을 주는 유도전동기의 맥동토크(Tp)는 없다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 유도전동기의 전력 손실을 최소화하고, 이로써 유도전동기의 효율을 높여 승강기의 주행 중 전력 저감 효과를 향상시키고, 주행 중 전류를 작게 흐르도록 하여 주행 중 토크 맥동으로 인한 진동을 저감하여 안락한 승차감을 이룰 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 유도전동기를 회전시키기 위한 속도지령을 내리는 속도패턴 연산부와, 상기 속도지령과 실제 속도의 오차에 의한 토크지령을 출력하는 속도 제어부와, 유도전동기의 실제 전류에서 실제 자속을 연산하는 자속 연산부와, 승강기 내부의 부하를 검출하는 부하 검출부와, 상기 승강기와 승강기의 부담을 줄이기 위한 균형추간의 불평형 토크를 연산하는 부하토크 변환부와, 상기 토크지령과 실제 자속 및 불평형 토크를 입력으로 토크분 전류를 연산하는 토크전류 변환부와, 일정한 고정자속과 실제 자속간의 오차에 의해 자속분 전류를 연산하는 자속 제어부와, 상기 토크분전류및 자속분 전류와 실제 전류간의 오차에 의해 상기 유도전동기에 실제 토크를 발생하도록 인버터 장치에 전압지령을 출력하는 전류 제어부와, 상기 속도 제어부에서 출력되는 토크지령으로 부터 자속지령을 연산하여 상기 자속 제어부에 고정자속으로 출력하는 자속지령 연산부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엘리베이터의 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 자속지령 연산부는 자속지령의 하한치를 연산하여, 속도패턴 연산부로부터 입력받는 속도지령이 높을때는 상기 연산한 자속지령의 하한치를 출력하고, 상기 속도지령이 낮을 때는 고정자 자속지령을 강하게 출력하게 구성된 것을 특징으로 하는 엘리베이터의 제어장치.