KR101139919B1 - 전력회생 에너지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크레인을 구동시키기 위한 모터를 제동할 때 발생하는 회생 에너지를 재생 에너지로 변환시켜 사용할 수 있도록 하기 위한 전력회생 에너지 시스템에 관한 것으로, 전력회생 에너지 시스템에 있어서, AC 교류 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하여 각 구성부로 구동전원을 공급하는 전원부; 모터에서 발생하는 고장 전류를 억제하고, 직류 전압을 출력하는 직렬리액터를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 직렬리액터를 통해 입력되는 직류전압을 미리 설정되어 있는 일정 레벨을 가지도록 정류하여 회생전력으로 상기 전원부로 출력하는 전력회생부; 및 상기 전력회생부의 정류된 출력전압과 3상 모선 사이의 전압차를 미리 설정된 전압차를 가지도록 조정하고, 상기 정류된 출력전압이 상기 모터로 출력되도록 하는 교류 리액터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

전력회생 에너지 시스템{Power regenerating energy system}

본 발명은 전력회생 에너지 시스템에 관한 것이다.

보다 상세하게는, 크레인을 구동시키기 위한 모터를 제동할 때 발생하는 회생 에너지를 재생 에너지로 변환시켜 사용할 수 있도록 하기 위한 전력회생 에너지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 크레인의 속도 제어 및 모터 기동 전류의 억제를 위하여 인버터를 사용하여 모터의 제동 또는 권하동직시 발생하는 역기전력을 제동저항으로 소비하는 DBU(Dynaamic Braking Unit) 방식의 시스템이 대부분 채용되고 있는 상태이다.

상기 DBU 방식의 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 모터(10)에서 발생하는 제동 에너지는 인버터(20)를 거쳐 브레이크 쵸퍼(30)로 유입되고, 이때 제동 에너지의 일부는 캐패시터(40)로 유입된다.

그러므로, 상기 캐패시터(40)는 입력에서 유입되는 에너지와 상기 제동에너지, 즉 회생에너지가 축적도어 DC Link 전압이 상승한다.

상기와 같이 회생 에너지에 의해 일정 전압 이상으로 DC Link 전압이 상승하면 브레이크 쵸퍼(30)가 동작하여 회생 에너지는 DBR(50)에서 소비되어 전압 상승이 억제되도록 한다.

상기와 같은 DBU 방식의 시스템은 전동기의 급가감속시 발생하는 회생에너지로 인해 DC Link의 전압이 상승되고, 이로 인해 IGBT와 캐패시터(Capacitor)에 스트레스를 줌으로써 인버터의 손실에 대한 지대한 영향을 미치는 바, 이러한 증상을 막기 위해 저항을 이용해 에너지를 소비시키는 제동유닛을 사용한다.

이러한 DBU 방식의 시스템은 %ED가 대체적으로 낮은 곳에서만 사용이 가능하며, 연속운전 정격이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 DBU 시스템은 큰 부피의 저항 박스(BOX)가 항상 동반되어야 하고, 열적인 문제가 있으며, 구매비용은 저렴하나 공간 비용이나 설치비용이 고려되어야 하는 문제점이 있다.

또한, 상기 DBU 방식의 시스템은 전동기를 통해 발생하는 에너지를 저항을 이용하여 열적으로 소모함으로써 에너지 재활용 측면에서 에너지 손실이 발생된다는 문제점이 있다.

한편, 상기 DBU 방식과는 달리 전력을 회생시킬 수 있는 시스템으로 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 PWM 컨버터 방식이 있다. PWM 컨버터 방식은 도 2에 도시된 바와 같이 입력단에 로우패스 필터(80)가 연결되어 있으며, 상기 로우패스 필터(80)의 출력단에 리액터(70)가 연결되어 있으며, 상기 리액터(70)는 PWM 컨버터(60)의 입력단에 연결된다.

그리고, PWM 컨버터(60)의 출력단 (+), (-) 각각은 인버터(20)의 DC Link(+) 및 DC Link(-)에 각각 연결되어 있다.

상기와 같은 구조적 특징으로 가는 PWM 컨버터 방식은 DC 부스팅 기능과 전력 회생 기능을 동시해 수행할 수 있도록 하는 방식으로서, 높은 역률(PF=1) 제어와 낮은 THD(3%미만)로 제어 가능하다.

그러나, 상기 PWM 컨버터 방식은 PWM 스위칭에 의해 전자파가 발생하므로 주변기기에 영향을 주는 문제점이 있다. 또한, 연속적으로 모터를 구동시키고 전력을 회생시키기 위해 큰 부피에 용량이 큰 리액터를 사용해야 하는 문제점이 있다. 그러므로 PWM 컨버터 방식의 경우 부피가 대체적으로 크고, 고가의 제품이며, 설치공간이 많이 필요할 뿐만 아니라 설치가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 크레인을 구동시키기 위한 모터를 제동할 때 발생하는 회생 에너지를 재생 에너지로 변환시켜 사용할 수 있도록 하기 위한 전력회생 에너지 시스템을 제공하는 데 있다. 즉, 기존의 제동저항으로 소비되던 회생에너지를 AC 전원으로 변환하여 다른 전기장치의 전원으로 사용할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 공간적 제약과 설치 및 사용이 가능하고, 기존 방식보다 정격 사용율과 연속 운전 정격이 높은 회생장치를 제공할 수 있으며, 효율적인 측면에서 사용 용도나 빈도 면에서의 용이함과 높은 이식성이 있으며, 경제적이며 적용이 쉽고, 통신 또는 키패드 등의 옵션 장착이 가능한 전력회생 에너지 시스템을 제공하는 데 있다. 즉, 디스플레이창이 구비되어 있어 회생전류가 디스플레이에 표시된다.

또한, 본 발명은 전원라인의 상태를 자동으로 트래킹하고, power suppressing 리액터가 내장되어 있으며, phase 순서를 자동으로 인식하고, 별도의 장치없이 병렬운전이 가능한 레인 전력회생 에너지 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시예는, 전력회생 에너지 시스템에 있어서, AC 교류 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환하여 각 구성부로 구동전원을 공급하는 전원부; 모터에서 발생하는 고장 전류를 억제하고, 직류 전압을 출력하는 직렬리액터를 포함하는 인버터; 상기 인버터의 직렬리액터를 통해 입력되는 직류전압을 미리 설정되어 있는 일정 레벨을 가지도록 정류하여 회생전력으로 상기 전원부에 출력하는 전력회생부; 및 상기 전력회생부의 정류된 출력전압과 3상 모선 사이의 전압차를 미리 설정된 전압차를 가지도록 조정하고, 상기 정류된 출력전압이 상기 모터로 출력되도록 하는 교류 리액터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 전력회생부는, AC 전원을 공급받아 DC 전원으로 변환하여 출력하는 한편 제어신호를 출력하는 컨트롤장치와, 상기 컨트롤장치의 제어신호에 응하여 게이트 온 신호를 출력하는 게이트 드라이버와, 상기 게이트 드라이버의 게이트 온 신호에 응하여 턴온 되어 상기 인버터로부터 회생되는 전력을 공급받아 다른 구성요소들의 구동전원으로 공급하는 스위칭부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 전력회생부는, 다수개의 발광다이오드로 이루어진 제 1 표시부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 전력회생부는, 회생전류 값을 수치로 표시하는 표시창과, 상기 전력회생부 및 상기 전력회생부와 연결되어 있는 인버터나 모터의 동작 상태를 문자메시지로 출력하는 상태표시창으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 전력회생부는, 작업자 또는 관리자로 하여금 전력회생부의 각 기능을

메뉴항목으로 입력할 수 있도록 하는 메뉴입력부를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 메뉴입력부는, 원격조정기인 것을 특징으로 한다.

상기 메뉴입력부는, 메뉴항목을 선택하는 메뉴버튼과 선택된 메뉴에 대해 메뉴항목을 선택할 수 있는 다수의 화살표버튼과 선택된 메뉴항목을 디스플레이하는 디스플레이창으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명은 크레인을 구동시키기 위한 모터를 제동할 때 발생하는 회생 에너지를 재생 에너지로 변환시켜 사용할 수 있도록 하여, 산업 전력의 에너지를 절감할 수 있도록 하고, 생산비용을 절감시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

즉, 전동기에서 발생하는 회생에너지를 오로지 역적 에너지로 소비한다는 것은 에너지의 손실이라는 점에서 본 발명인 전력회생 에너지 시스템은 에너지 손실률을 대폭 축소하고 나아가 회생에너지를 재사용할 수 있도록 함으로써 에너지 절약과 저탄소 및 신재생에너지 관련 장비를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 회생에너지를 열적 에너지로 소비하기 위해 사용하던 DBU를 제거함으로써 전체 시스템의 간결화 및 촉소로서 공간적 제약을 덜 받게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전력회생부에 디스플레이창이 구비되어 있어 회생전류가 디스플레이에 표시됨으로써 작업자 또는 관리자가 용이하게 알 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 전원라인의 상태를 자동으로 트래킹하고, power suppressing 리액터가 내장되어 있으며, phase 순서를 자동으로 인식하고, 별도의 장치없이 병렬운전이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 DBU 방식의 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래 PWM 컨버터 방식을 이용한 전력 회생 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전력회생 에너지 시스템의 구성을 설명하기 위한 개략도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 전력회생부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력회생 에너지 시스템의 에너지 회생률을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명인 전력회생 에너지 시스템에 구비된 제 1 표시부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명인 전력회생 에너지 시스템에 구비된 제 2 표시부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명인 전력회생 에너지 시스템에 구비된 메뉴입력부를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 전력회생시스템에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 전력회생 에너지 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이 AC 교류 전원을 입력받아 각 구성부로 구동전원을 공급하는 전원부(500)와, 모터(100)에서 발생하는 고장 전류를 억제하고, 직류 전압을 출력하는 직렬리액터(220)를 포함하는 인버터(200)와, 상기 인버터(200)의 직렬리액터(220)를 통해 입력되는 직류전압을 미리 설정되어 있는 일정 레벨을 가지도록 변환하여 회생전력으로 상기 전원부(500)로 출력하는 전력회생부(300)와, 상기 전력회생부(300)의 출력전압과 3상 모선 사이의 전압차를 미리 설정된 전압차를 가지도록 조정하고, 상기 전력회생부(300)의 출력전압이 상기 모터(100)로 출력되도록 하는 교류 리액터(400)로 구성된다.

그리고 상기 인터버(200)의 경우 권상/하 모터(100)에 연결된 인버터이며, 모터의 경우 횡행 모터, 주행 모터가 더 구비되어 있으며, 이 각각의 모터에는 별도의 인버터가 구비되어 있다.

상기 전력회생부(300)는 도 4에 도시돤 바와 같이 AC 전원을 공급받아 DC 전원으로 변환하여 출력하는 한편 제어신호를 출력하는 컨트롤장치(310)와, 상기 컨트롤장치(310)의 제어신호에 응하여 게이트 온 신호를 출력하는 게이트 드라이버(320)와, 상기 게이트 드라이버(320)의 게이트 온 신호에 응하여 턴온 되어 상기 인버터(200)로부터 회생되는 전력을 공급받아 다른 구성요소들의 구동전원으로 공급하는 스위칭부(330)로 구성된다.

그리고 상기 전력회생부(300)는 도 6에 도시된 바와 같이 다수개의 발광다이오드로 이루어진 제 1 표시부(610)를 구비하고 있다.

또한, 상기 전력회생부(300)는 회생전류 값을 수치로 표시하는 표시창(621)과, 상기 전력회생부(300) 및 상기 전력회생부(300)와 연결되어 있는 인버터(도 3 참조)나 모터(도 3 참조)의 동작 상태를 문자메시지로 출력하는 상태표시창(622)을 구비하고 있다.

또한, 상기 전력회생부(300)는 작업자 또는 관리자로 하여금 전력회생부(300)의 각 기능을 메뉴항목으로 입력할 수 있도록 하는 메뉴입력부(700)를 더 구비하고 있다. 상기 메뉴입력부(700)는 원격조정기 형태로 제작될 수도 있으며, 상기 메뉴입력부(700)는 도 8에 도시된 바와 같이 메뉴항목을 선택하는 메뉴버튼과 선택된 메뉴에 대해 메뉴항목을 선택할 수 있는 다수의 화살표버튼과 선택된 메뉴항목을 디스플레이하는 디스플레이창으로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 전력회생 에너지 시스템의 작용은 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전력회생 에너지 시스템이 적용된 크레인 또는 승강장치의 구동 시작 신호가 입력되어 전원부(500)의 전원이 공급되고, 미도시되어 있는 메인 컨트롤 장치에 의해 구동제어신호가 입력되면, 인버터(200)로 모터 구동 전원이 공급되고, 인버터(200)는 모터(200)로 구동전류를 공급하여 모터(100)가 구동된다.

모터(100)가 권상 동작 또는 횡행 동작 또는 주행 동작을 수행하고 난 후에는 역회전을 하게 되고, 이때 모터(100)에서는 역기전력이 발생하고, 발생된 역기전력은 직류리액터(220)에 의해 직류전압으로 변환되고, 변환된 직류전압은 인버터(200)의 DC-Link(+), DC-Link(-)를 통해 연결된 전력회생부(300)의 P(+), N(-)로 공급된다.

이때 전력회생부(300)의 컨트롤장치(310, 도 4 참조)로 모터(100)의 정회전상태 또는 역회전 상태를 인지할 수 있는 모터구동신호가 입력된다. 컨트롤장치(310)는 모터(100)가 정회전 상태일 경우에는 게이트 드라이버(320)가 구동되지 않도록 제어하고, 모터(100)가 역회전 상태일 경우에는 컨트롤장치(310)에서는 게이트 드라이버(320)로 구동시키기 위한 제어신호를 출력한다.
즉, 전력회생시스템의 회생 및 회생전류 사용의 플로우는 전원부(500)에서 교류리액터(400)을 통해 인버터(200)으로 입력되어, 입력된 전원이 인버터(200)에서 모터(100)으로 구동전류가 투입이되고 모터(100)가 정회전시 전력이 소모가 되고, 모터(100)이 역회전시 회생되는 전류는 직류리액터(220)을 통해 직류로 변환되고 변환된 전류는 Dc-Link를 통해 전력회생부(300)으로 회생된다.
상기와 같이 전력회생부(300)로 회생된 직류전류는 교류리액터(400)로 회생이 되어 인버터(200)로 교류전원이 출력이 되고, 또한 전력회생부(300)로 회생된 직류전류는 전력회생부(300)에 연결된 다수의 인버터(200)로 직류전원이 출력된다.

그러면 게이트 드라이버(320)는 제어신호에 응하여 하이레벨의 구동신호를 스위칭부(330)로 출력하고, 상기 하이레벨의 구동신호는 스위칭부(330)의 스위칭 소자의 베이스단으로 입력되며, 하이레벨의 구동신호에 의해 상기 스위칭소자는 턴온되고, 모터(100)의 역기전력에 의해 발생된 전력은 전력회생부(300)를 통해 다른 전기장치로 공급되어, 다른 전기장치의 구동전력으로 이용된다. 즉, 전력회생부(300)는 공급된 전력을 스위칭소자를 통해 공급받아 정류하고 전압의 위상을 매치시킨 후 크레인의 모선에 연결되어 있는 교류 리액터(400)로 출력하고, 교류 리액터(400)는 정류된 전압을 다른 전기장치의 구동전력으로 이용되도록 공급한다.

이때 인버터(200)에 전원을 인가하면 전력회생부(300)의 전면에 구비된 제 1 표시부(610, 도 6 참조)의 제 1 발광다이오드가 운전상태로 표시되도록 발광되고, 전력회생부(300)는 Power ready 상태로 된다.

그리고, 인버터(200)가 run 상태가 되면 전력회생부(300)의 제 2 발광다이오득 Run ready 상태를 알려줄 수 있도록 발광되고, 전력회생부(300)가 회생상태가 되면 제 2 발광다이오드는 Run 상태로 표시되도록 발광된다. 도 6의 제 1 표시부(610)의 제 3 발광다이오드는 전체 시스템 중 일부에 오류가 발생하는 경우 발광한다.

또한, 전력회생부(300)에는 제 1 표시부(610) 이외에 제 2 표시부(620, 도 7 참조)가 구비되어 있는데, 제 2 표시부(620)는 LCD로 구비되며, 전력회생부(300)에 의해 회생되는 회생전류의 값을 수치로 수치표시창(621)에 표시하고, Drive Ready, Regan Amps, Fault Number에 해당하는 정보를 문자로 문자표시창(622)을 통해 표시되도록 한다.

상술한 전력회생 에너지 시스템을 적용한 경우 평균 소비전력(P')은 도 5를 참조하여 계산해 보면 하기 수식과 같다.

즉, 기존의 본 발명에 따른 전력회생 에너지 시스템을 적용하지 않은 경우 하기 수식과 같이 6.02kW의 전력이 소모된다.

한편, 본 발명에 따른 전력회생 에너지 시스템이 적용된 경우 위의 수식에서 알 수 있는 바와 같이 2.60kW의 전력만이 소모된다.

이로써 하기 수식과 같이,

본 발명에 따른 전력회생 에너지 시스템을 채용할 경우 3.42kW의 전력을 재사용할 수 있으며, 이를 금전적으로 해석했을 때 위에 표시된 바와 같이 3000시간에 대해 574,560원을 절감시킬 수 있게 된다.

상기 수식과 같이 소비전력이 감소됨에 따라 탄소배출량 감소도 아래의 표와 같이 나타나며, 에너지 절감뿐만 아니라 탄소배출량도 절감하게 됨을 알 수 있다.

마지막으로, 전력회생부(300)에는 도 8과 같은 메뉴입력부(700)가 구비되어 있으며, 메뉴입력부(700)는 작업자 또는 관리자로 하여금 전력회생부(300)의 각 기능을 메뉴항목으로 입력할 수 있도록 하며, 메뉴항목을 선택하는 메뉴버튼과 선택된 메뉴에 대해 메뉴항목을 선택할 수 있는 다수의 화살표버튼과 선택된 메뉴항목을 디스플레이하는 디스플레이창으로 이루어진다. 한편 상기 메뉴입력부(700)는 원격조정기 형태로 제작될 수도 있는데, 이럴 경우 메뉴입력부(700) 내에는 원격 송신부가 구비되어 있어야 하며, 전력회생부(300)에는 원격 수신부가 구비되어 있어야 한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있을 것이지만, 이는 첨부된 청구항에서 포함되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

100 : 모터
200 : 인버터
220 : 직류리액터
300 : 전력회생부
400 : 교류리액터
500 : 전원부
610 : 제 1 표시부
620 : 제 2 표시부
700 : 메뉴입력부

Claims (7)

1. 전력회생 에너지 시스템에 있어서,
   AC 교류 전원을 입력받아 구동전원으로 공급하는 전원부;
   모터에서 발생하는 고장 전류를 억제하고, 직류 전압을 출력하는 직렬리액터를 포함하는 인버터;
   상기 인버터의 직렬리액터를 통해 입력되는 직류전압을 미리 설정되어 있는 일정 레벨을 가지도록 변환하여 회생전력으로 상기 전원부로 출력하는 전력회생부; 및
   상기 전력회생부의 출력전압과 3상 모선 사이의 전압차를 미리 설정된 전압차를 가지도록 조정하고, 상기 전력회생부의 출력전압이 상기 모터로 출력되도록 하는 교류 리액터로 이루어지며,
   상기 전력회생부는, AC 전원을 공급받아 DC 전원으로 변환하여 출력하는 한편 제어신호를 출력하는 컨트롤장치와, 상기 컨트롤장치의 제어신호에 응하여 게이트 온 신호를 출력하는 게이트 드라이버와, 상기 게이트 드라이버의 게이트 온 신호에 응하여 턴온 되어 상기 인버터로부터 회생되는 전력을 공급받아 구동전원으로 공급하는 스위칭부로 이루어지고,
   상기 전력회생부는, 회생전류 값을 수치로 표시하는 표시창과, 상기 전력회생부 및 상기 전력회생부와 연결되어 있는 인버터나 모터의 동작 상태를 문자메시지로 출력하는 상태표시창을 더 포함하며,
   상기 전력회생부는, 다수개의 발광다이오드로 이루어진 제 1 표시부를 구비하고,
   상기 전력회생부는, 작업자 또는 관리자로 하여금 전력회생부의 각 기능을 메뉴항목으로 입력할 수 있도록 하는 원격조정기 형태의 메뉴입력부를 더 구비하며,
   상기 메뉴입력부는, 메뉴항목을 선택하는 메뉴버튼과 선택된 메뉴에 대해 메뉴항목을 선택할 수 있는 다수의 화살표버튼과 선택된 메뉴항목을 디스플레이하는 디스플레이창으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력회생 에너지 시스템.
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