KR20210085103A - 엘리베이터 전동기용 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터를 3 레벨 컨버터로 구성하여 정현파에 가깝게 출력 전압을 출력함으로써 왜곡이 적으며 전고조파 왜율(THD)을 감소시키고 스위치 손실이나 도통 손실을 줄여 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며 직류전원을 다시 교류전원으로 변환하는 인버터는 2 레벨 인버터로 구성하여 제조 비용의 상승을 막을 수 있는 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에 관한 것이다.

Description

엘리베이터 전동기용 전력변환장치{Apparatus for driving motor for elevator}
본 발명은 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상용 교류전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터를 3 레벨 컨버터로 구성하여 정현파에 가깝게 출력 전압을 출력함으로써 왜곡이 적으며 전고조파 왜율(THD)을 감소시키고 스위치 손실이나 도통 손실을 줄여 시스템 효율을 향상시킬 수 있으며 직류전원을 다시 교류전원으로 변환하는 인버터는 2 레벨 인버터로 구성하여 제조 비용의 상승을 막을 수 있는 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에 관한 것이다.
일반적으로, 주거용도 및 업무용도 등으로 건축되는 다양한 종류의 고층 건물에는 해당 건물을 찾는 승객의 수직방향으로의 원활한 이동을 위해 엘리베이터 장치가 설치된다.
엘리베이터 장치는 그 내부에 승객이 탑승한 상태에서 건물 내부에 수직방향으로 형성된 승강로를 따라 상측 방향 또는 하측 방향으로 이동하면서 탑승객을 이동시키는 엘리베이터 카와, 소정 동력을 발생시키는 모터부와 권상기 등이 구비되어 엘리베이터 카를 승객의 버튼 조작에 따른 해당 층으로 이동시키는 기계부 및, 승객의 버튼 조작에 따라 기계부를 제어하면서 엘리베이터 카가 원활하고 안정적으로 운행될 수 있도록 제어를 행하는 엘리베이터 제어부 등을 포함하여 구성된다.
최근에는 고층 빌딩의 증가에 따라 고속 엘리베이터에 대한 수요가 증대되고 있는데, 특히 고층 빌딩의 지속적인 고도화에 따라 이에 맞는 초고속 엘리베이터에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
엘리베이터 카를 이동시키기 위하여 엘리베이터 전동기용 전력변환장치가 사용되고 있는데, 엘리베이터 전동기용 전력변환장치는 크게 3상 교류 전원을 제공하는 전원부, 3상 교류 전원을 직류로 변환하는 컨버터부, 직류로 변환된 전원을 다시 교류로 변환하여 전동기로 제공하는 인버터부를 구비하고 있다.
종래 이러한 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에서 교류를 직류로 변환하는 컨버터나 직류를 교류로 변환하는 인버터에는 각 상당 2개의 스위칭 소자를 사용하는 2레벨 방식이 주로 사용되어 왔다.
2 레벨 방식에서는 PWM 동작시 직류 전압을 (+), (-)의 2가지로만 제어하므로 스위칭 소자 구성이 간단하고 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나 2 레벨 방식의 경우 스위칭 소자에서 스위칭 손실이나 도통 손실이 크게 발생하며, 높은 전고조파 왜율(THD, Total Harmonic Distortion)을 줄이기 위하여 교류 리액터(AC reactor)의 인덕턴스 크기를 크게하여야 하며 이로 인하여 동손과 철손이 늘어나고 이는 시스템 효율을 떨어뜨리고 전원변환장치의 체적과 제조 비용을 크게하는 요인이 되고 있다.
최근에는 효율 개선에 대한 이슈로 멀티레벨 전력변환 기술 적용이 연구되고 있으며 연구 및 실험 결과에 의하면 3상 레벨 방식이 효율 개선에 효과가 있는 것으로 알려지고 있는데, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에서 컨버터를 3 레벨 컨버터로 구성하여 시스템 효율을 향상시키면서 체적을 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있는 엘리베이터 전동기용 전력변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 전원부와 컨버터부 사이에 제1 교류 리액터가 배치되고 인버터부와 전동기 사이에 제2 교류 리액터가 배치되며 제1 교류 리액터의 인덕턴스 크기가 제2 교류 리액터의 인덕턴스 크기보다 상대적으로 크기가 큰 경우, 컨터버부를 3 레벨 컨버터로 구성하고 인버터를 2 레벨 인터버로 구성하여 제조 비용면에서 제1 교류 리액터의 체적을 줄이면서 시스템 효율을 향상할 수 있는 엘리베이터 전동기용 전력변환장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치는 교류 3상 전원을 제공하는 3상 전원부와, 교류 3상 전원을 변환하여 직류 전원으로 변환하는 컨버터부와, 컨버터부에서 변환된 직류 전원을 평활하여 저장하는 평활부와, 평활부에서 제공되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부와, 인버터부로부터 제공되는 교류 전원에 의해 구동되는 전동기를 포함하며, 컨버터부는 다중 레벨 컨버터인 것을 특징으로 한다.
여기서 컨버터부는 3 레벨 컨버터인 것을 특징으로 한다.
여기서 인버터부는 2 레벨 인버터인 것을 특징으로 한다.
여기서 3상 전원부와 컨버터부 사이에는 제1 교류 리액터가 배치되며 인버터부와 전동기 사이에는 제2 교류 리액터가 배치되는데, 제1 교류 리액터는 제2 교류 리액터에 비해 상대적으로 크기가 큰 것을 특징으로 한다.
전력 변환 장치는 3상 전원부로부터 제공되는 교류 3상 전원을 모니터링하는 전원 모니터링부와, 3상 전원부로부터 제공되는 교류 3상 전원이 비정상적인 비상모드인 경우 컨버터부의 동작을 중단 제어하고 인버터부만을 동작시켜 엘리베이터 전동기를 구동 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치는 컨버터부와 평활부를 전기적으로 차단하는 스위치부를 더 포함하며, 제어부는 비상모드인 경우 스위치부를 제어하여 컨버터부와 평활부를 전기적으로 차단 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력변환장치는 컨버터를 3 레벨 컨버터로 구성하여 정현파에 가깝게 출력 전압을 출력함으로써, 왜곡이 적으며 전고조파 왜율(THD)을 감소시키고 스위치 손실이나 도통 손실을 줄여 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력변환장치는 전원부와 컨버터부 사이에 제1 교류 리액터가 배치되고 인버터부와 전동기 사이에 제2 교류 리액터가 배치되며 제1 교류 리액터의 인덕턴스 크기가 제2 교류 리액터의 인덕턴스 크기보다 상대적으로 크기가 큰 경우 컨터버부를 3 레벨 컨버터로 구성하고 인버터를 2 레벨 인터버로 구성함으로써, 필터의 제조 비용면에서 제1 교류 리액터의 체적을 줄이면서 시스템 효율을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력변환장치를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 엘레베이터 전동기용 전력 변환 장치의 일 예를 도시하고 있다.
도 3은 3 레벨 컨버터 회로의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 3 레벨 컨버터에서 출력 전압의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 I 타입 3 레벨 컨버터 회로에서 3레벨의 PWM 전압을 생성하는 일 예를 설명하고 있다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다.
이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력변환장치를 설명하기 위한 기능 블록도이다.
도 1을 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 3상 전원부(110)는 상용 3상 교류 전원을 제공하는데, 멀리 레벨 컨버터(130)는 계통측으로부터 입력되는 교류 3상 입력전원(상용전원)을 직류전원으로 변환하여 평활부(140)측으로 출력하며 2 레벨 인터버(150)는 평활부(140)에서 출력되는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 전동기(170)로 제공한다. 이러한 멀티 레벨 컨버터(130)는 3 레벨 컨버터일 수 있으며 보다 구체적으로 멀티 레벨 컨버터(130)는 3레벨 PWM(Pulse Width Modulation) 컨버터일 수 있다.
멀티 레벨 컨버터(130)인 경우에 PWM 스위칭 동작에 따라 온 및 오프 동작이 제어되는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 인버터(150)의 경우 PWM 스위칭 동작에 따라 온 및 오프 동작이 제어되는 복수의 스위칭 소자를 포함한다.
멀티 레벨 컨버터(130)는 3상 전원부(110)로부터 입력되는 3상 전류의 파형이 다단 레벨을 가지도록, 예를 들어 3 레벨 컨버터의 경우 3개의 전압 레벨(+Vdc/2, 0, -Vdc/2)을 가지도록 PWM 제어를 통해 정현파 즉, 사인파 형태로 만들어 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하여 출력한다.
인버터(150)는 멀티 레벨 컨버터(130)를 통해 평활부(140)로부터 공급되는 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환한다. 인버터(150)에서 생성된 삼상 교류 전력은, 교류 라인(U상 라인 UL, V상 라인 VL, W상 라인 WL)을 통하여 전동기(170)에 공급된다. 인버터(150)는 직류 전원(Vdc)을 입력받아 출력전압을 발생하고, 이러한 출력전압의 폭을 조절하여 교류전압의 크기, 주파수, 고조파 성분 등을 제어한다.
바람직하게, 본 발명이 적용되는 분야에 따라 인버터(150)는 2 레벨 인터버를 사용하는데, +Vdc 또는 -Vdc 값만을 출력하는 인버터를 2-레벨 인버터(Two-level inverter)라 한다.
멀티 레벨 컨버터(130)와 인버터(150)의 선단에는 각각 제1 필터(120)와 제2 필터(160)가 배치되어 있으며, 제1 필터(120)와 제2 필터(160)에는 각각 제1 교류 리액터와 제2 교류 리액터를 구비하고 있다. 제1 교류 리액터와 제2 교류 리액터는 인덕턴스 성분을 각각 가지며 멀티 레벨 컨버터(130)에서 생성되는 직류 전원에서 고조파 성분을 제거하거나 인버터(150)에서 생성되는 교류 전원에서 고조파 성분을 제거하는데, 엘리베이터 전동기용 전력변환장치에서 제1 교류 리액터의 인덕턴스 크기는 제2 교류 리액터의 인덕턴스 크기보다 상대적으로 크며, 따라서 제1 필터(120)를 제조하는데 상당한 비용이 소요되고 제1 필터(120)의 체적도 상당하다.
멀티 레벨 컨버터는 2 레벨 컨버터와 비교하여 다수의 스위칭 소자와 다이오드가 필요하지만 컨버터의 경우 멀티 레벨 컨버터로 구성하여 멀티 레벨 컨버터에서 전고조파 왜율(THD)을 줄이는 대신 상대적으로 큰 인덕턴스 성분을 가지는 제1 필터를 소형으로 저렴하게 제작할 수 있으며, 다만 제2 필터(160)의 경우 상대적으로 작은 크기의 인덕턴스 크기를 가지는 제2 교류 리액터가 사용되기 때문에 다수의 스위칭 소자와 다이오드가 필요한 멀티 레벨 인버터 대신 2 레벨 인버터로 구성하여 멀티 레벨 인버터를 제조하는데 소요되는 제조 경비를 줄일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 엘리베이터 전동기용 전력변환 장치는 3상 전원부(110)로부터 멀티 레벨 컨버터(130)로 입력되는 전원의 크기나 상태를 모니터링하는 모니터링부(180)와 3상 전원부(110)로부터 멀티 레벨 컨버터로 입력되는 전원의 크기나 상태에 기초하여 동작 모드를 제어하는 제어부(190)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
종종 3상 전원부(110)로부터 멀티 레벨 컨버터(130)로 제공되는 전원이 정전으로 공급되지 않거나 비정상적으로 입력되는 경우가 발생하는데, 모니터링부(180)는 멀티 레벨 컨버터(130)로 전원의 공급 여부나 크기를 모니터링한다.
제어부(190)는 모니터링 결과에 기초하여 멀티 레벨 컨버터(130)로 입력되는 전원이 차단되거나 비정상적인 크기의 전원이 입력되는 비상 모드인 경우, 멀티 레벨 컨버터(130)가 동작하지 않도록 제어하고 2 레벨 인터버(160)만을 동작시켜 비정 전원을 전동기(170)로 제공하도록 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 엘레베이터 전동기용 전력 변환 장치의 일 예를 도시하고 있으며, 도 3은 3 레벨 컨버터 회로의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 3상 전원부(110)로부터 입력된 3상 교류 전원은 제1 필터(120)를 거쳐 3 레벨 컨버터(130)에서 직류 전원으로 정류 변환되고, 직류 전원으로 변환된 전원은 평활부(140)를 거쳐 2 레벨 인버터(150)에서 교류 전원으로 변환되고 제2 필터(160)를 거쳐 전동기(170)로 제공된다.
여기서 평활부(140)는 차단 스위치(141)와 DC 링크 커패시터(143)으로 이루어지는데, 차단 스위치(141)는 제어부(190)의 제어에 따라 3 레벨 컨버터(130)와 DC 링크 커패시터(143)의 전기적 접속을 차단하거나 접속 제어한다.
제어부(190)는 비상 모드로 동작하는 경우, 멀티 레벨 컨버터의 동작을 중단시키고 2레벨 인버터만을 동작시켜 전동기로 구동 전원을 제공하도록 제어하는데, 비상 모드로 동작시 차단 스위치(141)를 통해 DC 링크 커패시터(143)와 멀티 레벨 컨버터(130) 또는 제1 필터(120)를 전기적으로 차단하여 DC 링크 커패시터(143)의 전원이 멀티 레벨 컨버터(130) 또는 제1 필터(120)로 방전되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 평활부(140)는 DC 링크 커패시터(143)와 2 레벨 인버터(150)를 전기적으로 차단하는 제2 차단 스위치(미도시)를 구비하며, 비상 모드시 제1 차단 스위치(141)와 제2 차단 스위치를 오프하여 DC 링크 커패시터(143)가 선단의 멀티 레벨 컨버터(130) 또는 제1 필터(120)와 전기적으로 접속되는 것을 차단하거나 후단의 2 레벨 인버터(150), 제2 필터(160), 전동기(170)과 전기적으로 접속되는 것을 차단한다.
제어부(190)는 비상모드로 동작시 엘리베이터 카를 구동하기 위한 사용자 명령이 입력되는 여부를 판단하며, 사용자 명령이 입력되는 시점에 제2 스위치만 ON 제어하여 DC 링크 커패시터(143)의 전원이 2 레벨 인버터(150)로 공급되도록 제어할 수 있다.
한편 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 3상 레벨 컨버터는 4개의 IGBT 스위칭 소자로 구성한 3레벨 컨버터 브릿지 3개를 병렬로 구성하여 직류전압으로 변환하는데, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 각 컨버터 브릿지는 4개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위칭 소자(T1, T2, T3, T4)로 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 3 레벨 컨버터에서 출력 전압의 일 예를 설명하기 위한 도면으로, 도 4(a) 내지 도 4(c)에 도시되어 있는 바와 같이 컨버터 브릿지를 구성하는 각 스위칭 소자의 동작에 따라 R상, S상 및 T상의 교류 전원을 3개의 전압 레벨(+Vdc/2, 0, -Vdc/2)을 갖는 3레벨 PWM 전압이 되게 한다.
도 5는 I 타입 3 레벨 컨버터 회로에서 3레벨의 PWM 전압을 생성하는 일 예를 설명하고 있는데, 도 5(a) 내지 도 5(c)에 도시되어 있는 바와 같이 스위칭 소자(T1 내지 T4) 중 스위칭 소자 T1과 스위칭 소자 T2은 ON되고 스위칭 소자 T3과 스위칭 소자 T4는 OFF 동작시켜 +Vdc/2레벨의 전압을 출력하며, 스위칭 소자(T1 내지 T4) 중 스위칭 소자 T1과 스위칭 소자 T2은 OFF되고 스위칭 소자 T3과 스위칭 소자 T4는 ON 동작시켜 -Vdc/2레벨의 전압을 출력하며, 스위칭 소자(T1 내지 T4) 중 스위칭 소자 T2 또는 스위칭 소자 T3만이 ON되고 나머지 스위칭 소자는 모두 OFF 동작시켜 0레벨의 전압을 출력한다.
3레벨 컨버터는 각 상당 4개의 스위칭 소자를 사용하여 PWM 동작시 직류 전압을 +Vdc/2, 0, -Vdc/2의 3가지로 제어함으로써, 고조파 발생 및 스위칭 소자의 전압 스트레스가 기존 2레벨 방식에 의하여 절반 이하가 되어 스위칭 소자 및 필터 회로에서의 손실을 상당 부분 줄일 수 있으므로 효율을 개선할 수 있다.
이러한, 3레벨 방식은 스위칭 소자의 구성에 따라 NPC(Neutral Point Clamped) 방식과 TNPC(T-type Neutral Point Clamped) 방식의 2종류로 구분할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110: 3상 전원부 120: 제1 필터
130: 멀티 레벨 컨버터 140: 평활부
150: 2 레벨 인버터 160: 제2 필터
170: 전동기 180: 모니터링부
190: 제어부

Claims (6)

  1. 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치에 있어서,
    교류 3상 전원을 제공하는 3상 전원부;
    상기 교류 3상 전원을 변환하여 직류 전원으로 변환하는 컨버터부;
    상기 컨버터부에서 변환된 직류 전원을 평활하여 저장하는 DC링크 커패시터를 구비하는 평활부;
    상기 평활부에서 제공되는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 인버터부; 및
    상기 인버터부로부터 제공되는 교류 전원에 의해 구동되는 전동기를 포함하며,
    상기 컨버터부는 다중 레벨 컨버터인 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터부는 3레벨 컨버터인 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인버터부는 2 레벨 인버터인 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 3상 전원부와 상기 컨버터부 사이에는 제1 교류 리액터가 배치되며 상기 인버터부와 상기 전동기 사이에는 제2 교류 리액터가 배치되는데,
    상기 제1 교류 리액터는 상기 제2 교류 리액터에 비해 상대적으로 크기가 큰 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전력 변환 장치는
    상기 3상 전원부로부터 제공되는 교류 3상 전원을 모니터링하는 전원 모니터링부; 및
    상기 3상 전원부로부터 제공되는 교류 3상 전원이 비정상적인 비상모드인 경우, 상기 컨버터부의 동작을 중단 제어하고 상기 인버터부만을 동작시켜 엘리베이터 전동기를 구동 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 평활부는
    상기 컨버터부와 상기 DC링크 커패시터를 전기적으로 차단하는 스위치부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 비상모드인 경우 상기 스위치부를 제어하여 상기 컨버터부와 상기 평활부를 전기적으로 차단 제어하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기용 전력 변환 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220144527A (ko) * 2021-04-20 2022-10-27 현대엘리베이터주식회사 엘리베이터용 전력변환장치

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