KR101454307B1 - 전력저장장치로 회생 에너지를 저장하여 이용하는 크레인 시스템 - Google Patents

전력저장장치로 회생 에너지를 저장하여 이용하는 크레인 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 크레인 시스템에 관한 것으로서, 종래의 다이오드 브릿지나 IGBT 브릿지 방식의 컨버터와 접촉식 전원공급장치를 이용하는 시스템의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 전력공급방식의 크레인 시스템을 제공함에 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 크레인 시스템에 있어서, 크레인 시스템의 구동을 위한 전동기에서 생성되어 DC 링크를 통해 전달되는 회생 전력을 저장하고 저장된 전력을 DC 링크 및 인버터를 통해 상기 전동기에 공급하는 전력저장장치; 전압검출부에 의해 검출되는 DC 링크 전압에 따라 전력저장장치의 충방전 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 충방전제어기; 및 전력저장장치와 DC 링크 사이에 구성되고 충방전제어기가 출력하는 제어신호에 따라 구동하여 전력저장장치의 선택적인 충전 또는 방전이 이루어지도록 하는 충방전제어회로부;를 가지는 것을 특징으로 하는 크레인 시스템을 제공한다.

Description

전력저장장치로 회생 에너지를 저장하여 이용하는 크레인 시스템{Crane system using regenerative energy with power storage equipment and control method thereof}
본 발명은 크레인 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 다이오드 브릿지나 IGBT 브릿지 방식의 컨버터와 접촉식 전원공급장치를 이용하는 시스템의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 전력공급방식의 크레인 시스템에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 무거운 물건을 정해진 장소로 이동시키기 위해 크레인 시스템(crane system)이 널리 이용되고 있다.
도 1은 통상의 크레인 시스템을 도시한 도면으로, 크레인 시스템(100)은 크게 레일(131)을 따라 주행하는 크레인 본체(110), 중량의 이동 대상물에 접근하여 이동 대상물(1)을 픽업하고 상하로 이동시키는 호이스트(hoist) 장치(120), 그리고 계통 전원(3상 전원)으로부터 구동에 필요한 전력을 공급받기 위한 전원공급장치(130)를 포함한다.
이러한 크레인 시스템(100)은 크레인 본체(110)의 주행은 물론 호이스트 장치(120)의 상하 구동 등 시스템 구동에 필요한 전력을 계통 전원으로부터 공급받으며, 상기 전원공급장치(130)는 계통 전원의 전력을 시스템에 공급하기 위한 것으로, 통상 트롤리바(trolley-bar)를 포함하는 접촉식 전원공급장치가 이용되고 있다.
한편, 도 2는 크레인 시스템에서 크레인 본체에 탑재되는 전력 공급 및 제어 회로를 개략적으로 도시한 도면으로, 크레인 시스템에서 계통 전력을 공급받아 구동하는 부하, 즉 유도전동기(116)를 포함하여, 이 유도전동기의 구동을 위해 구성되는 종래의 전력 공급 및 제어 시스템을 나타내고 있다.
도 2에서 도면부호 116은 크레인 본체(또는 호이스트 장치)를 움직이는 유도전동기이며, 도면에서 전동기 하나가 예시되어 있으나, 실제 크레인 시스템이 동작을 위해 크레인 본체의 주행을 위한 전동기, 호이스트 장치의 상하 구동을 위한 전동기 등 복수개의 전동기를 구비하고 있음은 주지의 사실이다.
도시된 바와 같이, 전력 공급 및 제어 시스템은 계통 전원(2)으로부터 공급되는 3상 교류 전력을 직류로 변환하는 다이오드 브릿지를 포함하는 컨버터(111), 전동기(116)의 구동 및 제어를 위해 컨버터(111)를 통해 공급되는 직류를 3상 교류로 변환하는 인버터(114), 컨버터(111)와 인버터(114) 사이를 연결하는 DC 링크(113) 등을 포함한다.
이러한 구성에서 전동기(116) 등의 부하 쪽에서 가속 등에 필요한 전력이 요구될 때에는, DC 링크(113)의 커패시터(113a)에 전압을 형성하여, 3상 계통 전원(2)의 전력을 다이오드 브릿지 방식의 컨버터(111)를 통해 DC 링크(113) 쪽으로 보내며, 인버터(114)를 통한 전동기(116)의 구동 및 제어가 수행된다.
도면부호 115는 전동기(116)의 구동을 제어하기 위한 제어기로서, 이는 인버터(114) 내 각 스위칭 소자(IGBT)의 온/오프 스위칭을 제어하여 전동기(116)의 속도 제어, 즉 크레인의 속도(크레인 본체의 주행속도)를 가속 또는 감속하게 된다.
또한 크레인 시스템에서 크레인의 속도가 감속되는 경우에는 전동기(116)가 발전 모드로 구동되어 에너지를 회수하게 되는데, 이때 회수되는 회생 전력(회생 에너지)은 DC 링크(114)를 통해 계통 쪽으로 전달된다.
위와 같이 부하 쪽에서 생성된 회생 전력이 DC 링크 쪽으로 넘어올 때는 DC 링크 전압이 상승하게 되고, 이때 DC 링크 전압을 일정 레벨에서 제한할 필요가 있으므로, 통상의 경우 DC 링크 전압이 일정 레벨을 넘어갈 때 DC 링크(113)에 연결된 저항 스위치(112a)를 온(On) 시켜 회생 에너지를 저항(112b)을 통해 열 에너지로 발산시키도록 되어 있다.
도 3은 크레인 속도에 따른 DC 링크 전압을 나타내는 도면으로, 저항 스위치(112a)를 동작시키지 않은 상태에서 크레인 속도와 회생 전력(회생 전압 파형)의 관계를 보여주고 있다.
도 3에서 3-1 구간은 초기 제어 구간을 나타내고, 3-4의 속도 지령에 따라 3-5의 속도로 크레인 속도가 제어되어 감속 구간인 3-2에서는 크레인 속도가 감속된다.
또한 상기한 3-2의 감속 구간에서는 회생 에너지가 DC 링크(도 2의 도면부호 113임) 쪽으로 전달되면서 DC 링크 전압이 3-6과 같이 상승하는데, 이후 3-3의 가속 구간과 같이 크레인 속도가 가속되면 전력이 필요하게 되면서 DC 링크 전압은 다시 낮아지게 된다.
이러한 크레인 속도와 DC 링크 전압의 관계에 있어서 3-2의 감속 구간과 같이 에너지 회수가 이루어지는 구간에서는 회생 전력에 의해 DC 링크 전압이 상승하여 커패시터(도 2에서 도면부호 113a임)의 허용 전압을 초과할 수 있고, 이 경우 커패시터가 파괴될 위험성이 있다.
따라서, 이를 방지하고자 종래의 경우에는 도 2의 저항 스위치(112a)를 온 시켜 저항(112b)의 발열을 통해 에너지를 방출시키고 있으며, 이때 저항(112b)이 열을 발생시키면서 회생 전력의 일부를 소비하도록 하고 있다.
도 4는 저항을 통해 회생 전력을 소비하였을 경우(저항 스위치 온) DC 링크 전압의 파형을 나타내는 도면으로서, 4-1의 감속 구간에서 DC 링크 전압이 800V 이상으로 상승하려 할 경우 저항 스위치(112a)를 온 시켜 회생 전력이 저항에 의해 소비되도록 하며, 이로 인해 DC 링크 전압은 800V 이상으로 상승하지 않게 된다.
그러나 이러한 방식은 커패시터 보호를 위한 시스템의 구성 및 제어가 간단하다는 장점을 가지나, 열을 발산시키는 저항(112b)의 부피가 클 뿐만 아니라 저항에서 발생하는 열을 식히는 냉각장치가 추가로 필요하고 커패시터 보호를 위해 회생 전력을 많이 소비해야 하는 단점을 가진다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위해 컨버터 내 다이오드 브릿지 대신 스위칭 제어가 가능한 IGBT 브릿지를 이용하는 방식이 제시되어 있는바, IGBT 브릿지를 이용하여 스위칭을 통해 DC 링크 전압을 형성한 다음 부하 쪽에서 전력이 필요할 때 IGBT 브릿지를 통해 계통에서 DC 링크로 전력이 전달되도록 하고, 부하 쪽에서 회생 전력이 DC 링크 쪽으로 전달될 때도 IGBT 브릿지를 제어하여 계통으로 회생 전력이 전달되도록 하는 컨버터가 개발되어 상용화되어 있다.
도 5는 IGBT 브릿지 방식을 채용한 시스템을 도시한 도면으로, 다이오드 브릿지 방식의 컨버터 대신 IGBT 브릿지 방식의 컨버터(110)로 대체되고, 상기 IGBT 브릿지의 스위칭 제어를 수행하는 제어기(109)가 추가된다.
도 5에서 도면부호 108은 계통 쪽으로 전달되는 회생전류를 제한하는 인덕터(inductor)(108a)를 포함하는 회로부를 나타내며, IGBT의 온/오프를 제어하여 DC 링크 전압을 제어하는 제어기(109)는 외부의 전압 제어 루프와 내부의 전류 제어 루프로 구성된다.
도 6은 도 5에 도시된 IGBT 브릿지 방식에서 크레인 속도에 따른 DC 링크 전압의 파형을 보여주는 도면으로, 6-1의 감속 구간에서 6-2와 같이 DC 링크 전압을 일정하게 제어하면서 계통으로 회생 전력을 전달하는 것을 보여주고 있다.
이와 같은 IGBT 브릿지 방식에서는 저항을 사용하지 않으므로 부피가 작고 열 발생이 적어 냉각장치가 불필요하다는 장점이 있으나, 제어가 복잡하고 특정 동작점에서 불안정하게 제어 동작이 이루어질 경우 계통이 무한 소스로 작용하여 IGBT나 게이트 드라이버가 파괴될 수 있는 단점이 있다.
또한 크레인 주행 중에 접촉식 전원공급장치인 트롤리바를 통해 계통의 전력을 공급받기 때문에 레일 이음매 부분이나 레일 단면의 불균일, 중량물을 싣고 가는 동안의 크레인 흔들림 등으로 인해 전원 공급의 불안정이 수시로 발생할 수 있고, 전원의 불평형 상황이 빈번하게 생길 수 있다.
또한 공장 내 다른 크레인이 전력을 급격히 소비하는 작업을 할 경우 공급 전원의 3상 불평형 정도가 심해지기 때문에 이 방식을 적용하는 데는 위험성이 따른다.
도 7은 상기한 IGBT 브릿지 방식에서의 문제점을 보여주는 도면으로, 전압 불평형 발생시 DC 링크 전압 제어의 오류를 보여주고 있으며, 7-1은 DC 링크 전압을, 7-2는 전동기에서 DC 링크로 전달되는 전류를, 7-3은 계통 전압 파형을 나타낸다.
7-4 구간에서와 같이 계통 전압의 3상이 평형상태일 때는 DC 링크 전압이 정상적으로 제어되다가, 7-5 구간에서와 같이 3상 중 한 상의 접점이 불량하여 불평형이 발생한 경우에는 정상적으로 제어되지 못하고 DC 링크 전압이 설정 레벨 이상으로 상승함을 알 수 있다.
따라서, 트롤리바를 통해 공급되는 3상 전압의 불평형 상황에서도 회생 전력을 활용할 수 있는 방안이 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 종래의 다이오드 브릿지나 IGBT 브릿지 방식의 컨버터와 접촉식 전원공급장치를 이용하는 시스템의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 전력공급방식의 크레인 시스템을 제공하는데 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 크레인 시스템에 있어서, 크레인 시스템의 구동을 위한 전동기에서 생성되어 DC 링크를 통해 전달되는 회생 전력을 저장하고 저장된 전력을 DC 링크 및 인버터를 통해 상기 전동기에 공급하는 전력저장장치; 전압검출부에 의해 검출되는 DC 링크 전압에 따라 전력저장장치의 충방전 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 충방전제어기; 및 전력저장장치와 DC 링크 사이에 구성되고 충방전제어기가 출력하는 제어신호에 따라 구동하여 전력저장장치의 선택적인 충전 또는 방전이 이루어지도록 하는 충방전제어회로부;를 가지는 것을 특징으로 하는 크레인 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 전력저장장치는 충방전제어회로부를 매개로 하여 DC 링크에 연결되는 슈퍼커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 충방전제어회로부는 상기 DC 링크와 전력저장장치 사이를 연결하는 회로 상에 설치되어 충방전제어기의 제어신호에 따라 온/온프되는 충전스위치; 및 상기 DC 링크 양단 회로 사이를 연결하도록 설치되어 충방전제어기의 제어신호에 따라 온/오프되는 방전스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 충방전제어기는, 제1충전기준값과 제2충전기준값이 미리 설정된 상태에서(제1충전기준값<제2충전기준값), DC 링크 전압이 상승하여 제1충전기준값과 제2충전기준값을 모두 초과하는 경우 충전스위치를 온 시켜 전력저장장치의 충전을 개시하고, DC 링크 전압이 제2충전기준값을 초과하여 슈퍼커패시터의 충전이 이루어지는 상태에서 이후 DC 링크 전압이 제2충전기준값 아래로 낮아지더라도 제1충전기준값보다 높은 값이면 충전스위치의 온 상태 및 슈퍼커패시터의 충전상태를 유지하며, 상기 충전상태 유지 동안 DC 링크 전압이 제1충전기준값 이하로 낮아지는 경우 충전스위치를 오프시켜 슈퍼커패시터의 충전을 중지하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 충방전제어기는, 제1방전기준값과 제2방전기준값이 미리 설정된 상태에서(제1방전기준값<제2방전기준값), DC 링크 전압이 하강하여 제1방전기준값과 제2방전기준값보다 낮아지는 경우 방전스위치를 온 시켜 슈퍼커패시터의 방전을 개시하고, DC 링크 전압이 제1방전기준값 아래로 하강하여 슈퍼커패시터의 방전이 이루어지는 상태에서 이후 DC 링크 전압이 상승하여 제1방전기준값보다 높아지더라도 제2방전기준값보다 낮은 값이면 방전스위치의 온 상태 및 슈퍼커패시터의 방전상태를 유지하며, 상기 방전상태 유지 동안 DC 링크 전압이 제2방전기준값보다 높아지는 경우 방전스위치를 오프시켜 슈퍼커패시터의 방전을 중지하도록 설정된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 크레인 시스템에서는 종래의 다이오드 브릿지나 IGBT 브릿지 방식의 컨버터와 접촉식 전원공급장치를 이용하는 시스템의 문제점을 해결할 수 있고, 전력저장장치에 회생 에너지를 저장한 뒤 필요 시점에서 효율적으로 사용할 수 있으므로 전력 절감의 효과를 얻을 수 있다.
또한 공장 내부 전원의 무효 전력을 사용하지 않으므로 공장 내부 전원의 안전성을 확보하는데 기여할 수 있게 된다.
도 1은 통상의 크레인 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 다이오드 브릿지 방식을 채용한 크레인 시스템의 전력 공급 및 제어 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 크레인 속도에 따른 DC 링크 전압을 나타내는 도면이다.
도 4는 다이오드 브릿지 방식에서 저항에 의해 일정 레벨 이상의 상승이 제한되는 DC 링크 전압을 나타내는 도면이다.
도 5는 IGBT 브릿지 방식을 채용한 크레인 시스템의 전력 공급 및 제어 회로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 IGBT 브릿지 방식에서 크레인 속도에 따른 DC 링크 전압을 나타내는 도면이다.
도 7은 IGBT 브릿지 방식에서 전압 불평형시 DC 링크 전압의 제어 오류를 나타내는 도면이다.
도 8은 전력저장장치를 사용하는 본 발명의 크레인 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 9와 도 10은 본 발명의 크레인 시스템에서 충방전제어회로부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 크레인 시스템에서 DC 링크 전압을 기준으로 슈퍼커패시터 충전 개시, 충전 유지, 충전 중지 등 동작 모드의 선택이 이루어지는 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 크레인 시스템에서 DC 링크 전압을 기준으로 슈퍼커패시터 방전 개시, 방전 유지, 방전 중지 등 동작 모드의 선택이 이루어지는 예를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 크레인 시스템에서 크레인 본체의 가속, 감속 반복시 슈퍼커패시터의 충전, 방전 동작이 이루어짐을 보여주는 예시 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 전력저장장치로 회생 에너지를 저장하여 이용하는 크레인 시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는, 부하에서 생성되는 회생 에너지를 다이오드 브릿지 또는 IGBT 브릿지 방식의 컨버터를 통해 계통으로 전달하는 종래의 크레인 시스템이 가지는 문제점을 해결하기 위해, 원천적으로 문제의 소지가 있는 계통 전원을 전력저장장치로 대체하고, 부하에서 생성된 회생 에너지가 전력저장장치에 저장되도록 하면서(크레인 본체의 감속시나 호이스트 장치의 하강 작동시), 전력저장장치에 저장된 에너지가 부하 구동시(크레인 본체의 주행 또는 호이스트 장치의 상승 작동시) 이용될 수 있도록 하여 종래의 접촉식 전원공급장치를 삭제한 것에 주된 특징이 있다.
이와 더불어 본 발명에서는 전력저장장치를 이용함으로써 부하 구동을 위해 계통 전원의 3상 교류 전력을 직류로 변환하여 공급하거나 회생 전력을 계통으로 전달하는 종래의 다이오드 브릿지 방식 또는 IGBT 브릿지 방식의 컨버터가 삭제될 수 있다.
도 8은 전력저장장치를 사용하는 본 발명의 크레인 시스템을 나타내는 구성도로, 크레인 본체에 구성되는 전력 공급 및 제어 회로를 개략적으로 나타내고 있으며, 크레인 본체 감속시나 호이스트 장치 하강시에 회생 전력을 저장하되, 크레인 본체 가속 주행시나 호이스트 장치 상승시에는 저장된 전력을 부하(전동기)(116)에서 소비될 수 있도록 공급하는 전력저장장치(105)를 채용한 구성을 보여주고 있다.
도시된 바와 같이, DC 링크(113)를 통해 회생 전력을 전달받아 저장하고 필요시 저장된 전력을 DC 링크(113) 및 인버터(114)를 통해 부하(116)에 공급하는 전력저장장치(105)가 구비되며, 상기 전력저장장치(105)는 DC 링크(113)와의 사이에 충방전제어회로부(107)를 개재한 상태로 구비된다.
일반적으로 전력저장매체로는 배터리, 슈퍼커패시터, 플라이 휠 등이 알려져 있으나, 본 발명에서는 충방전 응답성을 고려하여 슈퍼커패시터(C)를 포함하는 전력저장장치를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 슈퍼커패시터(C)는 충방전제어회로부(107)를 매개로 하여 DC 링크(113)에 연결되어, 이 충방전제어회로부(107)와 DC 링크(113)를 통해 충전 전력(회생 전력)을 공급받음과 더불어, 충방전제어회로부(107)와 DC 링크(113)를 통해 방전 전력(구동 전력)을 공급하게 된다.
도 8에서 도면부호 106은 슈퍼커패시터(C)의 충방전을 제어하는 충방전제어기를 나타내며, 이 충방전제어기(106)는 충방전제어회로부(107)의 충전스위치(S1)와 방전스위치(S2)의 온/오프 제어를 위한 제어신호를 출력하게 된다.
상기 충방전제어회로부(107)는 충방전제어기(106)의 제어신호에 따라 구동하여 슈퍼커패시터(C)의 충방전이 선택적으로 이루어지도록 하는 회로부로서, 도 9와 도 10을 참조하여 충방전제어회로부의 구성과 충전시 및 방전시의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 9에 나타낸 바와 같이, DC 링크(113)와 슈퍼커패시터(C)(전력저장장치)를 연결하는 회로 상에 충전스위치(S1)가 설치되고, DC 링크 양단 회로 사이를 연결하도록 방전스위치(S2)가 설치된다.
상기 충전스위치(S1)와 방전스위치(S2)는 충방전제어기(도 8의 도면부호 106임)가 출력하는 제어신호에 따라 온/오프 구동이 제어되는 스위치로, 크레인 본체의 가속시 또는 호이스트 장치의 상승시, 도 9에 나타낸 바와 같이, DC 링크(113)에 부하(전동기)에서 생성된 회생 전류(Iregen)가 전달될 때, 충방전제어기(106)의 제어신호에 따라 충전스위치(S1)가 온 되면서, 충전스위치(S1)가 도통되는 시간(D1) 동안 방전스위치(S2) 양단에 형성되는 전압(D1Vc)과 충전스위치(S1)의 통전 전류(D1Ic)에 의해 슈퍼커패시터(C)가 충전된다(회생 전력 저장).
반면, 크레인 본체의 가속시 또는 호이스트 장치의 상승시, 즉 부하(전동기) 구동시에는 충방전제어기(106)의 제어신호에 따라 방전스위치(S2)가 온 되면서, 방전스위치(S2)의 도통 시간(D2) 동안 슈퍼커패시터 전압에 의해 충전스위치(S1)를 통과하여 흐르는 전류((1-D2)Ic)가 DC 링크(113)를 통해 인버터(도 8에서 도면부호 114임)로 공급되고, 이로써 부하 구동에 필요한 전력이 공급될 수 있게 된다.
도 8 내지 도 10에서 도면부호 113b는 DC 링크(113) 양단 사이에 설치되어 DC 링크 전압을 검출하는 전압검출부를 나타내며, 이 전압검출부(113b)에 의해 검출되는 DC 링크 전압(Vdc)이 슈퍼커패시터(C)의 충전과 방전을 결정하는데 이용된다.
즉, 충방전제어기(106)가 전압검출부(113b)에 의해 검출되는 DC 링크 전압(Vdc)을 입력받고, 전압검출부(113b)에 의해 검출된 DC 링크 전압을 기준으로 슈퍼커패시터(C)의 충전과 방전 모드를 결정 및 제어하게 되는 것이다.
또한 슈퍼커패시터(전력저장장치)의 충방전 제어에 있어서, 전력저장장치(105)의 핵심 부품인 슈퍼커패시터(C)를 보호하면서 슈퍼커패시터의 수명 단축을 방지하기 위해서는 잦은 충방전 전환을 방지하는 것이 필요한데, 이를 위해 제1충전기준값과 제2충전기준값, 제1방전기준값과 제2방전기준값을 미리 설정해둔다.
도 11은 DC 링크 전압을 기준으로 슈퍼커패시터 충전 개시, 충전 유지, 충전 중지 등 동작 모드의 선택이 이루어지는 예를 나타낸 도면으로, 이를 참조로 충전 제어 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
제1충전기준값(V1ch)과 제2충전기준값(V2ch)이 미리 설정된 상태에서(제1충전기준값<제2충전기준값), 충방전제어기(106)가 전압검출부(113b)에 의해 검출되는 DC 링크 전압(Vdc)을 입력받는다.
크레인 본체의 감속시에는 DC 링크 전압이 상승하는데, DC 링크 전압(Vdc)이 제1충전기준값(V1ch)보다 상승한 뒤 제2충전기준값(V2ch)을 초과함을 판단하게 되면, 충방전제어기(106)는 충전스위치(S1)를 온 시키고, 이를 통해 회생 전력이 슈퍼커패시터(C)에 충전되도록 한다.
물론, 이때 DC 링크 전압(Vdc)이 제1충전기준값(V1ch) 이상으로 상승하더라도 제2충전기준값(V2ch)을 넘지 않을 경우에는 충전스위치(S1)를 오프 상태로 유지하여 슈퍼커패시터(C)를 충전시키지 않는다.
또한 상기와 같이 DC 링크 전압(Vdc)이 제2충전기준값(V2ch)을 넘어 슈퍼커패시터(C)의 충전이 이루어지는 상태에서, 이후 DC 링크 전압(Vdc)이 제2충전기준값(V2ch) 아래로 낮아지더라도 제1충전기준값(V1ch)보다 높은 값이면 충전스위치(S1)의 온 상태 및 슈퍼커패시터(C)의 충전상태를 그대로 유지한다.
이어 DC 링크 전압(Vdc)이 제1충전기준값(V1ch) 이하로 낮아지는 경우에는 충전스위치(S1)를 오프시켜 슈퍼커패시터(C)의 충전을 중지한다.
도 12는 DC 링크 전압을 기준으로 슈퍼커패시터 방전, 방전 유지, 방전 중지 등의 모드 선택이 이루어지는 예를 나타낸 도면으로, 이를 참조로 방전 제어 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
제1방전기준값(V1dis)과 제2방전기준값(V2dis)이 미리 설정된 상태에서(제1방전기준값<제2방전기준값), 크레인 본체의 가속시에는 DC 링크 전압(Vdc)이 하강하는데, 전압검출부(113b)에 의해 검출된 DC 링크 전압(Vdc)이 하강하여 제1방전기준값(V1dis)보다 낮아진 뒤 제2방전기준값(V2dis)보다 낮아짐을 판단하게 되면, 충방전제어기(106)는 방전스위치(S2)를 온 시키고, 이에 슈퍼커패시터(C)의 방전이 이루어지도록 하여 슈퍼커패시터에 저장되어 있던 전력이 부하를 구동시키는데 사용되도록 한다.
물론, 이때 DC 링크 전압(Vdc)이 제2방전기준값(V2dis) 아래로 낮아지더라도 제1방전기준값(V1dis)보다 높은 경우에는 방전스위치(S2)를 오프 상태로 유지하여 슈퍼커패시터(C)를 방전시키지 않는다.
또한 상기와 같이 DC 링크 전압(Vdc)이 제1방전기준값(V1dis) 아래로 하강하여 슈퍼커패시터(C)의 방전이 이루어지는 상태에서, 이후 DC 링크 전압(Vdc)이 상승하여 제1방전기준값(V1dis)보다 높아지더라도 제2방전기준값(V2dis)보다 낮은 값이면 방전스위치(S2)의 온 상태 및 슈퍼커패시터(C)의 방전상태를 그대로 유지한다.
이어 DC 링크 전압(Vdc)이 제2방전기준값(V2dis)보다 높아지는 경우에는 방전스위치(S2)를 오프시켜 슈퍼커패시터(C)의 방전을 중지한다.
도 13은 상기의 방법을 적용하여 크레인 본체의 가속, 감속 반복시 슈퍼커패시터의 충전, 방전 동작이 이루어짐을 보여주는 예시 도면으로, 위는 슈퍼커패시터(전력저장장치)의 전력을 이용하여 주행하는 크레인 본체의 속도를 나타내고, 아래는 슈퍼커패시터의 전압을 나타낸다.
초기 충전 상태에서 슈퍼커패시터의 방전 전력을 인버터가 공급받아 크레인 본체를 기동하며, 슈퍼커패시터의 전력 방전이 이루어짐과 동시에 크레인 본체가 가속하게 되고, 목표 속도에 도달하면 슈퍼커패시터의 방전이 중지된다.
또한 크레인 본체가 감속하는 구간에서 슈퍼커패시터는 충전되며, 이후 크레인 본체가 정지하면 슈퍼커패시터의 충전이 중지된다.
이후 다시 크레인 본체가 가속하면 슈퍼커패시터가 방전, 크레인 본체가 감속하면 슈퍼커패시터가 충전되는 사이클이 반복된다.
한편, 본 발명에서 새로이 추가되는 전력저장장치(105)는 상기와 같이 부하에서 생성되는 회생 에너지를 전달받아 저장할 수 있도록 DC 링크(113)에 연결되지만, 계통 전원으로부터도 충전 전력을 필요시에 공급받을 수 있게 계통 전원과도 연결될 수 있는데, 이에 대해서는 도면상 예시하지는 않았으나, 계통 전원과 전력저장장치를 컨버터를 통해 연결하고, 계통 전원의 전력이 선택적으로 전력저장장치에 공급될 수 있도록 개폐장치(스위치 등)를 구비하는 것을 실시 가능하다.
따라서, 본 발명에서는 크레인 본체가 미리 설정된 홈 포지션에 위치해 있을 때 크레인 본체 내 전력저장장치(105)(슈퍼커패시터)가 계통 전원을 공급받아 만 충전되고, 이후 크레인 본체의 주행시에는 부하(크레인 본체 주행을 위한 전동기)(116) 구동에 필요한 전력을 전력저장장치로부터 공급받아 크레인 본체가 주행하게 된다.
또한 주행 후 감속할 때 부하(116)에서 생성되는 회생 전력(회생 에너지)이 전력저장장치(105)에 저장되고, 더불어 호이스트 장치의 하강시에 부하(호이스트 장치 구동을 위한 전동기)에서 생성되는 회생 전력 역시 전력저장장치에 저장된다.
또한 호이스트 장치가 중량물을 들고 상승할 때 부하에 필요한 에너지를 전력저장장치로부터 공급받으면서, 호이스트 장치의 상승 후 목표 위치로의 이동을 위해 크레인 본체가 다시 주행할 경우 전력저장장치(105)로부터 주행에 필요한 전력을 공급받으며, 목표 위치 부근에서 크레인 본체가 다시 감속할 때 생성되는 회생 전력이 전력저장장치에 저장된다.
이렇게 본 발명에서는 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 것과 더불어 전력저장장치에 회생 에너지를 저장한 뒤 필요 시점에서 효율적으로 사용할 수 있으므로 전력 절감의 효과를 제공한다.
요컨대, 본 발명에서는 크레인 본체의 감속이나 호이스트 장치의 하강 동작시 발생하는 회생 에너지를 전력저장장치에 저장하고, 크레인 시스템의 부하 구동시(전동기 구동시, 즉 크레인 본체의 가속이나 호이스트 장치의 상승 동작시) 전력저장장치에 저장된 회생 에너지를 이용하도록 구성됨으로써, 에너지의 효율적인 이용이 가능해진다.
결국, 본 발명을 적용하는 경우 회생 에너지의 효율적인 이용으로 전력 절감이 가능해지며, 공장 내부 전원의 무효 전력을 사용하지 않으므로 공장 내부 전원의 안전성을 확보하는데 기여할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
105 : 전력저장장치 106 : 충방전제어기
107 : 충방전제어회로부 113 : DC 링크
113b : 전압검출부 114 : 인버터
116 : 전동기(부하) C : 슈퍼커패시터
S1 : 충전스위치 S2 : 방전스위치

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 크레인 시스템에 있어서,
    크레인 시스템의 구동을 위한 전동기에서 생성되어 DC 링크를 통해 전달되는 회생 전력을 저장하고 저장된 전력을 DC 링크 및 인버터를 통해 상기 전동기에 공급하는 전력저장장치;
    전압검출부에 의해 검출되는 DC 링크 전압에 따라 상기 전력저장장치의 충방전 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 충방전제어기; 및
    상기 전력저장장치와 상기 DC 링크 사이에 구성되고 상기 충방전제어기가 출력하는 제어신호에 따라 구동하여 상기 전력저장장치의 선택적인 충전 또는 방전이 이루어지도록 하는 충방전제어회로부;를 포함하며,
    상기 전력저장장치는,
    상기 충방전제어회로부를 매개로 하여 상기 DC 링크에 연결되는 슈퍼커패시터를 포함하며,
    상기 충방전제어회로부는,
    상기 DC 링크와 상기 전력저장장치 사이를 연결하는 회로 상에 설치되어 상기 충방전제어기의 제어신호에 따라 온/온프되는 충전스위치; 및
    상기 DC 링크 양단 회로 사이를 연결하도록 설치되어 상기 충방전제어기의 제어신호에 따라 온/오프되는 방전스위치;를 포함하며,
    상기 충방전제어기는,
    제1충전기준값과 제2충전기준값이 미리 설정된 상태에서(제1충전기준값<제2충전기준값),
    DC 링크 전압이 상승하여 상기 제1충전기준값과 상기 제2충전기준값을 모두 초과하는 경우 상기 충전스위치를 온 시켜 상기 전력저장장치의 충전을 개시하고,
    상기 DC 링크 전압이 상기 제2충전기준값을 초과하여 상기 슈퍼커패시터의 충전이 이루어지는 상태에서 이후 상기 DC 링크 전압이 상기 제2충전기준값 아래로 낮아지더라도 상기 제1충전기준값보다 높은 값이면 상기 충전스위치의 온 상태 및 상기 슈퍼커패시터의 충전상태를 유지하며,
    상기 충전상태 유지 동안 상기 DC 링크 전압이 상기 제1충전기준값 이하로 낮아지는 경우 상기 충전스위치를 오프시켜 상기 슈퍼커패시터의 충전을 중지하도록 설정된 크레인 시스템.
  5. 크레인 시스템에 있어서,
    크레인 시스템의 구동을 위한 전동기에서 생성되어 DC 링크를 통해 전달되는 회생 전력을 저장하고 저장된 전력을 DC 링크 및 인버터를 통해 상기 전동기에 공급하는 전력저장장치;
    전압검출부에 의해 검출되는 DC 링크 전압에 따라 상기 전력저장장치의 충방전 동작을 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 충방전제어기; 및
    상기 전력저장장치와 상기 DC 링크 사이에 구성되고 상기 충방전제어기가 출력하는 제어신호에 따라 구동하여 상기 전력저장장치의 선택적인 충전 또는 방전이 이루어지도록 하는 충방전제어회로부;를 포함하며,
    상기 전력저장장치는,
    상기 충방전제어회로부를 매개로 하여 상기 DC 링크에 연결되는 슈퍼커패시터를 포함하며,
    상기 충방전제어회로부는,
    상기 DC 링크와 상기 전력저장장치 사이를 연결하는 회로 상에 설치되어 상기 충방전제어기의 제어신호에 따라 온/온프되는 충전스위치; 및
    상기 DC 링크 양단 회로 사이를 연결하도록 설치되어 상기 충방전제어기의 제어신호에 따라 온/오프되는 방전스위치;를 포함하며,
    상기 충방전제어기는,
    제1방전기준값과 제2방전기준값이 미리 설정된 상태에서(제1방전기준값<제2방전기준값),
    DC 링크 전압이 하강하여 상기 제1방전기준값과 상기 제2방전기준값보다 낮아지는 경우 상기 방전스위치를 온 시켜 상기 슈퍼커패시터의 방전을 개시하고,
    상기 DC 링크 전압이 상기 제1방전기준값 아래로 하강하여 상기 슈퍼커패시터의 방전이 이루어지는 상태에서 이후 상기 DC 링크 전압이 상승하여 상기 제1방전기준값보다 높아지더라도 상기 제2방전기준값보다 낮은 값이면 상기 방전스위치의 온 상태 및 상기 슈퍼커패시터의 방전상태를 유지하며,
    상기 방전상태 유지 동안 상기 DC 링크 전압이 상기 제2방전기준값보다 높아지는 경우 상기 방전스위치를 오프시켜 상기 슈퍼커패시터의 방전을 중지하도록 설정된 크레인 시스템.
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