기존의 유압식 엘리베이터에서 엘리베이터 카의 하강행정 동안 손실 되는 유압 에너지를 회수하여 재사용하기 위하여 개발한 유압식 엘리베이터용 하이브리드 형 에너지 저감 장치에 대한 성능 특성에 관하여 연구하였다. 회수된 에너지는 축전지에 저장하여 재사용할 수 있도록 구성되어 있으며, 엘리베이터의 구동 조건에 따른 에너지 저감장치의 출력 특성, 효율 및 에너지 회수율 등에 관하여 실험을 통하여 규명하고자 하였다. 본 연구의 결과들은 하강행정 동안 버려지는 에너지의 회수율이 최대 약 54%로 에너지 저감 장치의 압력, 유량, 출력 전압과 전류, 효율 및 에너지 회수율 등과 같은 성능 특성들이 안정적이고 양호하다는 것을 보여주고 있으며, 본 연구를 통하여 유압식 엘리베이터의 에너지 저감 장치를 통하여 하강행정 동안 회수된 에너지를 재사용하데 매우 유용하며, 상용화 가능성이 충분하다는 것을 확인하였다.
기존의 유압식 엘리베이터에서 엘리베이터 카의 하강행정 동안 손실 되는 유압 에너지를 회수하여 재사용하기 위하여 개발한 유압식 엘리베이터용 하이브리드 형 에너지 저감 장치에 대한 성능 특성에 관하여 연구하였다. 회수된 에너지는 축전지에 저장하여 재사용할 수 있도록 구성되어 있으며, 엘리베이터의 구동 조건에 따른 에너지 저감장치의 출력 특성, 효율 및 에너지 회수율 등에 관하여 실험을 통하여 규명하고자 하였다. 본 연구의 결과들은 하강행정 동안 버려지는 에너지의 회수율이 최대 약 54%로 에너지 저감 장치의 압력, 유량, 출력 전압과 전류, 효율 및 에너지 회수율 등과 같은 성능 특성들이 안정적이고 양호하다는 것을 보여주고 있으며, 본 연구를 통하여 유압식 엘리베이터의 에너지 저감 장치를 통하여 하강행정 동안 회수된 에너지를 재사용하데 매우 유용하며, 상용화 가능성이 충분하다는 것을 확인하였다.
In a traditional hydraulic elevator, elevator car is descended by down control valve, and the oil hydraulic energy must be lost during the descending stroke. In this paper, the performance characteristics of the hybrid type energy saving unit, is used to save the hydraulic energy which is lost durin...
In a traditional hydraulic elevator, elevator car is descended by down control valve, and the oil hydraulic energy must be lost during the descending stroke. In this paper, the performance characteristics of the hybrid type energy saving unit, is used to save the hydraulic energy which is lost during the descending stroke, for a hydraulic elevator are studied. The energy can be reused as the auxiliary power. The results show that the performance characteristics, such as the pressure, flow rate, output current and voltage, efficiency, and the energy recovery rate of the unit are stable and good as the energy recovery rate is 54%, and the energy saving unit is useful to reuse the saved energy during the descending stroke of elevator car. Also, it was confirmed that the energy saving unit can be deployed on a commercial scale.
In a traditional hydraulic elevator, elevator car is descended by down control valve, and the oil hydraulic energy must be lost during the descending stroke. In this paper, the performance characteristics of the hybrid type energy saving unit, is used to save the hydraulic energy which is lost during the descending stroke, for a hydraulic elevator are studied. The energy can be reused as the auxiliary power. The results show that the performance characteristics, such as the pressure, flow rate, output current and voltage, efficiency, and the energy recovery rate of the unit are stable and good as the energy recovery rate is 54%, and the energy saving unit is useful to reuse the saved energy during the descending stroke of elevator car. Also, it was confirmed that the energy saving unit can be deployed on a commercial scale.
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문제 정의
본 연구는 엘리베이터가 상승할 때 생성된 위치에너지를 이용하여 엘리베이터가 하강할 때 전기에너지로 변환하여 배터리에 저장하고, 축전된 전기에너지를 엘리베이터의 재상승시 전력의 일부로 보조하거나 관련 부품의 에너지원으로 사용하도록 하여 에너지 소비량을 저감할 수 있는 하이브리드 방식 유압식 엘리베이터용 에너지 저감장치의 성능특성을 파악하고 상용화 가능성을 타진해 보고자 한다.
본 연구의 목표는 엘리베이터가 상승할 때 생성된 위치 에너지를 이용하여 엘리베이터가 하강할 때 전기 에너지로 변환하여 배터리에 저장하고, 축전된 전기 에너지를 엘리베이터의 재상승 시 전력의 일부로 보조하거나 관련 부품의 에너지원으로 사용하도록 하여 에너지 소비량을 저감할 수 있는 하이브리드 방식 유압식 엘리베이터용 에너지 저감장치의 성능특성을 파악하고자 한 것이다. 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
05Ω의 저항을 장착하여 저항의 양 단자간의 전압을 측정하므로 써 흐르는 전류량을 환산할 수 있도록 구성하였다. Oscilloscope를 이용하여 측정한 제너레이터의 출력 데이터는 컴퓨터를 이용하여 처리하도록 하였다.
따라서 에너지 저감 유닛의 성능을 파악하기 위하여 에너지 저감 유닛의 입구 측 고압라인에 테스트 유닛을 장착하여 엘리베이터 카가 승강할 때 작동유의 특성(압력, 유량, 온도 등)을 파악할 수 있도록 압력, 유량, 온도 센서를 장착하였고, 제너레이터의 회전수는 Webtec 사의 비접촉 rpm meter를 사용하여 측정하였으며, 각각의 센서들로부터 나온 신호는 Webtec사의 다 채널 Portable Data Logger를 이용하여 각각의 Data 값 및 그래프를 확인하고 컴퓨터를 이용하여 실시간 측정 및 확인이 가능하도록 구성하였다.
또한, 엘리베이터 카가 하강 행정 중에 에너지 저감 유닛으로 공급되어지는 에너지는 유압 모터를 거쳐 제너레이터를 통하여 전기적 에너지로 전환되고 이 전기 에너지는 축전지에 저장되게 되는데, 이의 출력량을 측정하기 위하여 Memory Oscilloscope를 이용하여 제너레이터 출력단자의 발생 전압을 실시간 측정하고, 축전지로 충전되는 전류량은 제너레이터 출력단자에 0.05Ω의 저항을 장착하여 저항의 양 단자간의 전압을 측정하므로 써 흐르는 전류량을 환산할 수 있도록 구성하였다.
본 연구에서는 기본 엘리베이터 카의 자중을 12 kN으로 하였으며, 부하 변동에 따른 특성을 파악하기 위해 엘리베이터 검사에 사용하는 분동을 사용하여 14 kN, 16 kN, 18 kN, 20 kN으로 변화를 주었다. 이러한 조건에서 엘리베이터 승강에 따른 압력 변동을 측정하였다.
13은 제너레이터의 회전수 변화에 따른 에너지 저감 유닛의 압력 변동을 나타낸다. 엘리베이터 카의 부하 조건이 16 kN에서 제너레이터의 회전수를 1800 rpm, 2000 rpm, 2200 rpm으로 변화를 주었으며, 이러한 조건에서 엘리베이터 승강에 따른 압력 변동을 측정하였다.
본 연구에서는 기본 엘리베이터 카의 자중을 12 kN으로 하였으며, 부하 변동에 따른 특성을 파악하기 위해 엘리베이터 검사에 사용하는 분동을 사용하여 14 kN, 16 kN, 18 kN, 20 kN으로 변화를 주었다. 이러한 조건에서 엘리베이터 승강에 따른 압력 변동을 측정하였다. 엘리베이터 카의 하중이 증가할수록 상승 행정 중 발생되는 압력은 증가하고 있음을 알 수 있다.
성능/효과
1) 엘리베이터 카의 부하가 증가할수록 입력 파워가 상대적으로 증가하기 때문에 에너지 저감 유닛의 효율은 저하되며, 에너지 저감 유닛의 효율은 평균 약 25%∼48%의 범위 내에 있음을 확인할 수 있었다.
2) 엘리베이터 카의 속도가 증가할수록 출력 파워가 상대적으로 증가하기 때문에 에너지 저감 유닛의 효율은 증가하며, 에너지 저감 유닛의 효율은 평균 약 13%∼54%의 범위 내에 있음을 확인할 수 있었다.
따라서 기존의 유압식 엘리베이터에서 하강 시 손실되는 에너지의 최대 약 54%를 회수할 수 있을 것으로 보여 지며, 결과에서 보여 지듯이 에너지 저감 장치의 출력 특성도 안정적이고, 양호한 결과를 도출할 수 있었다.
일반적으로 특정 장비의 효율은 장비에 공급되는 입력 파워 대비 출력 파워의 비로서 표현한다. 따라서 본 연구를 통하여 개발된 에너지 저감 유닛의 효율은 에너지 저감 유닛에 공급되는 입력 파워 대비 출력 파워의 비로서 표현할 수 있다. Fig.
회전수에 따른 에너지 저감 유닛의 효율은 평균 약 13%∼54%의 범위 내에 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통하여 개발된 유압식 엘리베이터용 에너지 저감 장치의 최대 효율은 시험 범위 내에서 최대 약 54%로 나타나고 있으며, 기존의 유압식 엘리베이터에서 하강 시 손실되는 에너지의 약 54%를 회수할 수 있다고 보여 진다.
유압 모터의 회전수를 1000 rpm으로 일정하게 유지시켰을 경우에, 유압 모터에 가해지는 압력에 따라서 유압 모터의 입력 동력(작동유의 압력과 유량)과 출력 동력(유압 모터의 출력 토크와 회전수)을 측정하고, 이에 따른 에너지 변환 효율을 계산한 것으로 유압 모터에 가해지는 압력이 증가할수록 입력 동력과 출력 동력은 거의 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 입력 동력 대비 출력 동력의 비로 나타내고 있는 에너지 변환 효율은 공급 압력이 증가할수록 효율의 증가폭은 완만하게 감소하고 있음을 알 수 있으며, 이는 효율의 분모에 해당 되는 입력 동력의 증가량은 거의 선형적으로 증가하는데 비하여 분자에 해당되는 입력과 출력 동력의 차이는 상대적으로 거의 일정하기 때문이다. 또한 실험 범위 내에서 유체 에너지 변환 효율은 최대 약 90%를 나타내고 있음을 알 수 있다.
에너지 저감 장치는 크게 엘리베이터 하강 시 유압에너지를 기계적 에너지로 변화시켜주는 유압모터, 유압모터에서 변환된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 주는 제너레이터, 제너레이터에서 생성되어지는 전기 에너지를 저장하는 축전지, 각종 센서, 표시기 및 제어밸브 등으로 구성되어 있다. 상기의 에너지 저감 유닛에 사용되어지는 부품들을 통하여 유압식 엘리베이터의 상승 행정을 통하여 얻어지는 위치 에너지를 유압 에너지로 변환하고, 이렇게 변환되어진 유압 에너지를 에너지 저감 유닛을 통하여 전기 에너지로 변환시켜 축전지에 저장하여 재사용하므로써 엘리베이터의 승강 행정에 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.
엘리베이터 카의 부하에 따른 에너지 저감 유닛의 효율은 평균 약 25%∼48%의 범위 내에 있음을 확인할 수 있었다.
13과 같은 조건에서 제너레이터의 회전수에 따른 에너지 저감 유닛에서 발생하는 출력 전류의 변동을 나타내고 있다. 제너레이터의 회전수가 증가할수록 파형의 주기가 짧아지고, 출력 전류가 회전수 증가에 따라서 거의 비례적으로 커지고 있음을 알 수 있다. 이는 제너레이터의 회전수에 따른 출력 특성으로 회전수가 증가할수록 출력 전류가 증가하기 때문이며, 축전지에 충전되는 전류가 그만큼 증가한다.
13과 같은 조건에서 엘리베이터 하강에 따른 에너지 저감 유닛의 출력 전압 변동을 측정하였다. 제너레이터의 회전수가 증가할수록 파형의 주기는 짧아지고, 출력 전압의 크기는 커지고 있음을 알 수 있다. 이는 회전수에 따른 제너레이터의 출력 특성으로 회전수가 증가할수록 출력 전압이 증가하기 때문이다.
13과 같은 조건에서 엘리베이터의 하강에 따른 작동 유의 유량 변동을 측정하였다. 제너레이터의 회전수가 증가할수록 하강 행정의 시간이 짧아지고, 작동유의 유량은 증가하고 있음을 알 수 있다. 이는 하강 거리가 같은 상황에서 에너지 저감 유닛을 통과하여 탱크로 돌아가는 작동유는 유압 실린더에 포함되어 있는 양으로 일정한 상태에서, 작동유의 유속이 빨라지면 통과 시간은 줄어들기 때문이다.
회전수에 따른 에너지 저감 유닛의 효율은 평균 약 13%∼54%의 범위 내에 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
그러므로 본 연구의 에너지 저감 장치를 활용하여 유압식 엘리베이터의 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 여겨지며, 상용화의 가능성이 충분하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제너레이터의 회전수가 증가할수록 파형의 주기는 짧아지고, 출력 전압의 크기는 커지는 이유는?
제너레이터의 회전수가 증가할수록 파형의 주기는 짧아지고, 출력 전압의 크기는 커지고 있음을 알 수 있다. 이는 회전수에 따른 제너레이터의 출력 특성으로 회전수가 증가할수록 출력 전압이 증가하기 때문이다.
특수용 엘리베이터는 어떤 방식을 채용하고 있는가?
특수용 엘리베이터는 화물용이 대다수를 차지하고 있고 큰 부하가 가해지기 때문에 로프식보다 유압식 엘리베이터를 주로 채용하고 있다.
에너지 저감 장치는 어떻게 구성되어 있는가?
2는 에너지 저감 장치의 개략도를 보여주고 있다. 에너지 저감 장치는 크게 엘리베이터 하강 시 유압에너지를 기계적 에너지로 변화시켜주는 유압모터, 유압모터에서 변환된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 주는 제너레이터, 제너레이터에서 생성되어지는 전기 에너지를 저장하는 축전지, 각종 센서, 표시기 및 제어밸브 등으로 구성되어 있다. 상기의 에너지 저감 유닛에 사용되어지는 부품들을 통하여 유압식 엘리베이터의 상승 행정을 통하여 얻어지는 위치 에너지를 유압 에너지로 변환하고, 이렇게 변환되어진 유압 에너지를 에너지 저감 유닛을 통하여 전기 에너지로 변환시켜 축전지에 저장하여 재사용하므로써 엘리베이터의 승강 행정에 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.
참고문헌 (6)
S. H. Jung, "Development of the Hydraulic Gear Pump for an Elevator", Journal of Korean Soc. of Mechanical Technology, Vol. 13, No. 4, pp. 117-124, 2011
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Y. H. Kim, "Development of Elevator Door System with Linear Induction Motor", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 8, pp. 3617-3625, 2011 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.8.3617
K. D. Hwang, D. S. Kim and D. S. Lim, "Hydraulic System Control Using H Infinite Control Technique", Journal of Korean Soc. of Mechanical Technology, Vol. 11, No. 1, pp. 45-51, 2009
Y. H. Kim, "Study of Drive Control System for Ropeless Elevator", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 8, pp. 3634-3641, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.8.3634
D. H. Yang, K. Y. Kim, S. Heo, M. K. Kwak and J. H. Lee, "Development of a Solenoid Control Technique for the Suppression of Noise and Vibrations of the Brake System of Elevator Traction Machine", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 22, No. 5, pp. 451-458, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5050/KSNVE.2012.22.5.451
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