엘리베이터 시스템에 적용 가능한 양방향 무선 전력 전송 제어

Abstract

최근 차세대 엘리베이터로서 승강줄(로프) 없이 동작하는 로프리스 엘리베이터가 제안되어 왔다. 승강줄을 제거함으로써 평형추와 권상기를 제거할 수 있어 건물에서 엘리베이터가 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 승강기의 수직 동작 뿐만 아니라 수평 동작이 가능해 그 활용 범위를 증가 시켜줄 수 있다. 또한 승강기 내부에 동력장치를 탑재하여, 여러 승강기가 한 개의 승강로를 공유하면서 동시에 운행되도록 할 수 있다. 이러한 로프리스 엘리베이터의 승강기의 동력장치는 무선 전력 전송을 통해 전원을 입력하도록 하여 집전장치와 같이 직접적으로 전기 공급을 받는 방식에 비하여 운용 및 보수 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 본 논문에서는 최대 2대의 승강기가 동시 동작 가능한 로프리스 엘리베이터시스템에서 승강기의 양방향 무선 전력 전송 시스템의 설계 및 제어 방법을 제안하였다. 먼저 로프리스 엘리베이터의 무선 전력 전송 시스템 적합한 코어와 코일 구조를 설계하였고, 제안하는 시스템의 회로 구성을 제시하였다. 다중 승강기에 동시 전력 전송이 가능하도록 송신부 전류를 일정한 값으로 제어하는 방법을 제안하였으며, 정상상태 및 과도상태 응답을 얻기 위해 시스템의 전달함수를 도출하였다. 도출된 전달함수를 통해 수신부 동작 지점에 따른 송신부 시스템의 안정도를 분석하였다. 또한 수신부에서는 엘리베이터 승강기에서 빈번히 발생하는 회생 에너지가 전력망으로 회수되도록 하기 위해 양방향으로 전력 전달이 가능하게 하였고, 이러한 제어가 송신부와 수신부 사이에 별도의 통신없이 이루어 질 수 있도록 제안 하였다. 제안하는 무선 전력 전송 시스템의 효율을 증가시키기 위해서 수신부 전압 지령 생성 방법에 대해서 제안하고, 실험을 통해 그 효과를 입증하였다. 제안된 시스템의 송신부와 수신부의 양방향 전력 제어는 모의실험과 제작된 엘리베이터 시스템의 모의 세트를 통해 검증하였다. 이를 통해 제안하는 방법의 효용성과 우수성을 확인하였다.

The ropeless elevator that operates without a hoisting rope is recently attracted in industry because the rope, counterweight and rotating machine which take up a lot of space in the building can be removed. In addition, more than one elevator car can be operated in one shaft and be driven not only in vertical direction but also in horizontal direction in the ropeless elevator. For the ropeless elevator, the supplying power to elevator car must be implemented wirelessly to facilitate freedom in motion. In this paper, the design and control method of bi-directional inductive wireless power transfer for ropeless elevator system is proposed. First, a core and coil structure suitable for a wireless power transfer system of a ropeless elevator is designed, and the circuit configuration of the proposed system is presented. Secondly, control strategy of controlling the transmitter current to a constant value is proposed to provide uniform magnetic flux density to each pick-up cars. And the system transfer function is calculated to analyze the stability of system in steady-state and transient situation. Also, the bi-directional wireless power transfer is implemented to use the regenerative energy without any communication system. Finally, the performance and actual operation of 25kW bi-directional wireless power transfer is presented. The bi-directional power control of the transmitter and receiver of the proposed system was verified through simulations and experimental sets of the manufactured elevator system. The effectiveness and superiority of the proposed method were confirmed.