Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 6 pp. 2588-2595, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.6.2588 조인성 1* 1 전북대학교기계시스템공학부 A Study on the Performance Characteristics of an Energy Saving Unit in a Hydraulic Elevator Ihn-Sung Cho 1* 1 Division of Mechanical System Engineering, Chonbuk National University 요약기존의유압식엘리베이터에서엘리베이터카의하강행정동안손실되는유압에너지를회수하여재사용하기위하여개발한유압식엘리베이터용하이브리드형에너지저감장치에대한성능특성에관하여연구하였다. 회수된에너지는축전지에저장하여재사용할수있도록구성되어있으며, 엘리베이터의구동조건에따른에너지저감장치의출력특성, 효율및에너지회수율등에관하여실험을통하여규명하고자하였다. 본연구의결과들은하강행정동안버려지는에너지의회수율이최대약 54% 로에너지저감장치의압력, 유량, 출력전압과전류, 효율및에너지회수율등과같은성능특성들이안정적이고양호하다는것을보여주고있으며, 본연구를통하여유압식엘리베이터의에너지저감장치를통하여하강행정동안회수된에너지를재사용하데매우유용하며, 상용화가능성이충분하다는것을확인하였다. Abstract 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. Key Words : Control valve, Energy saving unit, Hydraulic elevator, Performance characteristics, Recovery rate 1. 서론 특수용엘리베이터는화물용이대다수를차지하고있고큰부하가가해지기때문에로프식보다유압식엘리베이터를주로채용하고있다. 그러나유압식엘리베이터의유압시스템은전량독일, 이탈리아등에서직수입되어사용되고있다 [1]. 핵심파트를수입에의존하기때문에유저의에너지저감, 동력효율향상등에대한요구에도즉각대응이어려운실정이 다. 엘리베이터에관련된국내연구가진행되고있으나부품에관한것이거나부분적인연구가대부분이거나 [1], 엘리베이터도어시스템 [3,4] 이나제어시스템 [5,6] 등에관한연구가진행되어왔다. 또한, 최근대두되는그린에너지정책에맞추어효율을최적화하거나에너지를저감할수있는시스템이각광을받고있으나유압식엘리베이터분야에서이와같은시스템에대한시도는거의전무한상태이다. 본연구는엘리베이터가상승할때생성된위치에너지 * Corresponding Author : Ihn-Sung Cho(Chonbuk National Univ.) Tel: +82-63-270-4703 email: cis0206@jbnu.ac.kr Received March 11, 2013 Revised (1st April 12, 2013, 2nd April 15, 2013) Accepted June 7, 2013 2588
를이용하여엘리베이터가하강할때전기에너지로변환하여배터리에저장하고, 축전된전기에너지를엘리베이터의재상승시전력의일부로보조하거나관련부품의에너지원으로사용하도록하여에너지소비량을저감할수있는하이브리드방식유압식엘리베이터용에너지저감장치의성능특성을파악하고상용화가능성을타진해보고자한다. 2. 유압식엘리베이터의구성 2.1 유압식엘리베이터의개요 Fig. 1은에너지저감장치가있는유압식엘리베이터의개략적인구성을나타내고있으며, 9컨트롤패널 (CP) 의제어를통하여 2유압파워유닛의주동력원을가동하게되고이를통하여발생하게되는유압에너지가 4 에너지저감장치를거치지않고바로유압식엘리베이터용 1유압실린더에공급되므로써 5엘리베이터 (Car) 는상승하게된다. 그러나하강할경우에는 2유압파워유닛의동력은차단 (off) 되고, 엘리베이터의자중에의해서 1유압실린더에차있는기름을밸브를통하여서서히탱크로돌려보내므로써하강속도를조절하게된다. 그러므로하강시에는주동력원을소비하지는않지만유체가가지고있는에너지를소모하게된다. 따라서엘리베이터가상층으로상승할때생성된위치에너지를엘리베이터가하층으로하강할때 4에너지저감장치를거치도록하여순차적으로유체가가지고있는에너지를기계에너지로변환시킨후이를이용하여제너레이터를가동하여발전할수있도록하여축전지에전기에너지로저장할수있도록하는시스템이다. 2.2 에너지저감장치의구조 Fig. 2는에너지저감장치의개략도를보여주고있다. 에너지저감장치는크게엘리베이터하강시유압에너지를기계적에너지로변화시켜주는유압모터, 유압모터에서변환된기계적에너지를전기적에너지로변환시켜주는제너레이터, 제너레이터에서생성되어지는전기에너지를저장하는축전지, 각종센서, 표시기및제어밸브등으로구성되어있다. 상기의에너지저감유닛에사용되어지는부품들을통하여유압식엘리베이터의상승행정을통하여얻어지는위치에너지를유압에너지로변환하고, 이렇게변환되어진유압에너지를에너지저감유닛을통하여전기에너지로변환시켜축전지에저장하여재사용하므로써엘리베이터의승강행정에소모되는에너지를절감할수있다. Battery Generator V-Belt Hydraulic Motor Manifold Tensioner [Fig. 2] Schematic of the energy saving unit of a hydraulic elevator 3. 실험장치의구성및방법 [Fig. 1] Schematic of the hydraulic elevator with energy saving unit Fig. 3은유압식엘리베이터용에너지저감유닛의성능을평가하기위하여실제엘리베이터의유압시스템의특성을실시간으로파악할수있도록구성한것이다. 그림에서중간부분의일점쇄선사각형부분이본연구를통하여개발된유압식엘리베이터용에너지저감유닛이며, 상승되어있는엘리베이터카의위치에너지가유압실린더내작동유의압력에너지로변환되어에너지저감유닛의입력 (In) 포트로작용하여유압모터를구동하고, 일을한작동유는출력 (Out) 포트를통해빠져나와파워유닛의탱크로귀환하게된다. 따라서에너지저감유닛의성능을파악하기위하여에너지저감유닛의입구측고압라인에테스트유닛을장착하여엘리베이터카가승강할때작동유의특성 ( 압 2589
한국산학기술학회논문지제 14 권제 6 호, 2013 력, 유량, 온도등 ) 을파악할수있도록압력, 유량, 온도센서를장착하였고, 제너레이터의회전수는 Webtec 사의비접촉 rpm meter를사용하여측정하였으며, 각각의센서들로부터나온신호는 Webtec사의다채널 Portable Data Logger를이용하여각각의 Data 값및그래프를확인하고컴퓨터를이용하여실시간측정및확인이가능하도록구성하였다. Computer Data/Graph Display Sensors Test unit Energy Saving Unit [Fig. 4] Testing apparatus of the energy saving unit of a hydraulic elevator 4. 실험결과 4.1 유체에너지변환특성 유압피스톤모터는엘리베이터실린더내의유압에너지를기계적에너지로변환해주는역할을하며, Fig. 5 는에너지저감유닛에사용된유압피스톤모터의에너지변환특성을보여주고있다. [Fig. 3] Test circuit of the energy saving unit of a hydraulic elevator 또한, 엘리베이터카가하강행정중에에너지저감유닛으로공급되어지는에너지는유압모터를거쳐제너레이터를통하여전기적에너지로전환되고이전기에너지는축전지에저장되게되는데, 이의출력량을측정하기위하여 Memory Oscilloscope를이용하여제너레이터출력단자의발생전압을실시간측정하고, 축전지로충전되는전류량은제너레이터출력단자에 0.05Ω의저항을장착하여저항의양단자간의전압을측정하므로써흐르는전류량을환산할수있도록구성하였다. Oscilloscope 를이용하여측정한제너레이터의출력데이터는컴퓨터를이용하여처리하도록하였다. Fig. 4는에너지저감유닛의특성을실험하기위한실험장치실물을보여주고있다. [Fig. 5] Hydraulic conversion characteristics of the hydraulic motor 유압모터의회전수를 1000 rpm으로일정하게유지시켰을경우에, 유압모터에가해지는압력에따라서유압모터의입력동력 ( 작동유의압력과유량 ) 과출력동력 ( 유압모터의출력토크와회전수 ) 을측정하고, 이에따른에너지변환효율을계산한것으로유압모터에가해지 2590
는압력이증가할수록입력동력과출력동력은거의선형적으로증가하고있음을알수있다. 또한, 입력동력대비출력동력의비로나타내고있는에너지변환효율은공급압력이증가할수록효율의증가폭은완만하게감소하고있음을알수있으며, 이는효율의분모에해당되는입력동력의증가량은거의선형적으로증가하는데비하여분자에해당되는입력과출력동력의차이는상대적으로거의일정하기때문이다. 또한실험범위내에서유체에너지변환효율은최대약 90% 를나타내고있음을알수있다. 4.2 엘리베이터의승강에따른작동유특성 Fig. 6은컨트롤조정장치의버튼을누르면엘리베이터가상승또는하강을하게되는데, 버튼을누름으로써엘리베이터가상승및하강할경우에에너지저감유닛에서의유압작동유의특성을나타내고있다. 가로축은테스트시간을나타내고, 세로축은각각의측정값들을나타내고있다. 빨간색은엘리베이터의상승및하강행정에있어서작동유의압력의변동을나타내고있으며, 검정색은작동유의흐르는유량을, 파란색은제너레이터의회전수를나타내며, 핑크색은작동유의온도를나타내고있다. 엘리베이터의하강행정에서는상승행정과달리작동유의에너지저감유닛을통과하는유량과제너레이터의회전수가표시되고있으며, 검정색으로표시된유량이에너지저감유닛의유압모터를회전시키고, 유압모터에연결된제너레이터를회전시키게된다. 그러므로파란색으로표시된제너레이터의회전수가표시되고있음을알수있다. 이렇게제너레이터가회전하므로써전기에너지를생산할수있다는것을알수있다. 4.3 엘리베이터의승강에따른 Output 특성 Fig. 7은엘리베이터의승강에따른에너지저감유닛에서의출력특성을보여주고있다. [Fig. 7] Output characteristics of the energy saving unit [Fig. 6] Hydraulic characteristics of the energy saving unit 상승행정에서작동유의유량과제너레이터의회전수가표시되지않는것은상승행정중에는작동유가에너지저감유닛을통과하지않기때문이다. 상승행정중에압력의파형이초기에변동성이크게나타나고있음을알수있는데, 이는상승초기저압의조건에서상승하기위한압력까지갑작스런압력의증가가발생하여생기는오버슈팅현상으로상승하기에충분한압력이되면안정화된다. 적색으로표시되는부분 ( 위 ) 은출력전압을나타내고, 청색으로표시되는부분 ( 아래 ) 은출력전류를나타내고있다. 출력전압은제너레이터의특성상 13.5V 14.5V 범위내에서변동성을가지며나타나고있으며, 이러한변동성을보이는이유는교류발전기에서나오는교류를직류로변환하는과정에서발생하는전파정류의특성이다. 또한출력전류는약 25A 정도를나타내고있으며, 전류또한전압과마찬가지로일정한범위내에서파형을가지며나타난다. 4.4 부하에따른에너지저감유닛의성능특성 Fig. 8은엘리베이터부하의변동에따른에너지저감유닛의압력변동을나타내고있다. 엘리베이터카의하중은사용조건에따라서달라질수있기때문에엘리베이터카의하중의변동에따라그압력의변동특성을확인할필요가있다. 2591
한국산학기술학회논문지제 14 권제 6 호, 2013 [Fig. 8] Pressure characteristics according to elevator load(at 2000 rpm) 본연구에서는기본엘리베이터카의자중을 12 kn으로하였으며, 부하변동에따른특성을파악하기위해엘리베이터검사에사용하는분동을사용하여 14 kn, 16 kn, 18 kn, 20 kn으로변화를주었다. 이러한조건에서엘리베이터승강에따른압력변동을측정하였다. 엘리베이터카의하중이증가할수록상승행정중발생되는압력은증가하고있음을알수있다. 그러나하강행정중의압력의변동은상대적으로그변동성이작음을알수있다. Fig. 9는엘리베이터부하변동에따른에너지저감유닛의유량변동을나타내고있다. 엘리베이터하중의변동에따른유량의변동특성은엘리베이터카가상승행정중일경우에는작동유가에너지저감유닛을통하지않기때문에유량특성이나타나지않으며, 하강행정중에는작동유가에너지저감유닛을통과하여탱크로돌아가기때문에유량특성이나타나게된다. 제너레이터의회전수를 2000 rpm으로고정한상태에서엘리베이터카의하중이변해도작동유의유량특성은상대적으로거의변화하지않고있음을알수있다. Fig. 10은엘리베이터부하변동에따른에너지저감유닛의출력전압변동을나타내고있다. 엘리베이터하중의변동에따른출력전압의변동특성은엘리베이터카가상승행정중일경우에는작동유가에너지저감유닛을통하지않기때문에나타나지않으며, 하강행정중에는작동유가에너지저감유닛을통과하여탱크로돌아가면서유압모터를구동하기때문에출력전압특성이나타나게된다. 제너레이터의회전수를 2000 rpm으로고정한상태에서엘리베이터카의하중이변해도출력전압특성은거의변화하지않고있음을알수있다. 이는출력전압은제너레이터의회전수와관련이있기때문에회전수가일정한상태에서는그변동이거의없는것으로나타나고있다. [Fig. 10] Output voltage characteristics according to elevator load(at 2000 rpm) [Fig. 11] Output current characteristics according to elevator load(at 2000 rpm) [Fig. 9] Flow rate characteristics according to elevator load(at 2000 rpm) Fig. 11은엘리베이터부하변동에따른에너지저감유닛의출력전류변동을나타내고있다. Fig. 10과비슷한경향을보이고있으며, 제너레이터의회전수를 2000 2592
rpm으로고정한상태에서엘리베이터카의하중이변해도제너레이터에서발생하여축전지로보내지는발전전류의특성은거의변화하지않고있음을알수있다. 이는출력전류는제너레이터의회전수와관련이있기때문에회전수가일정한상태에서는그변동이거의없는것으로나타나고있다. 일반적으로특정장비의효율은장비에공급되는입력파워대비출력파워의비로서표현한다. 따라서본연구를통하여개발된에너지저감유닛의효율은에너지저감유닛에공급되는입력파워대비출력파워의비로서표현할수있다. Fig. 12는엘리베이터부하변동에따른에너지저감유닛의효율을나타내고있으며, 입력파워에대한평균출력파워의비율로표시하였다. 엘리베이터카의부하가증가할수록입력파워가상대적으로증가하기때문에에너지저감유닛의효율은저하되고있음을알수있다. 엘리베이터카의부하에따른에너지저감유닛의효율은평균약 25% 48% 의범위내에있음을확인할수있었다. 압력의크기나패턴은유사한경향을보이고있으며, 에너지저감유닛을통하지않는상승행정에서는압력에있어서그크기나시간, 패턴이거의동일하게나타나고있음을알수있다. [Fig. 13] Pressure characteristics according to the rpm of the generator(at 16 kn) [Fig. 12] Efficiency characteristics according to elevator load(at 2000 rpm) [Fig. 14] Flow rate characteristics according to the rpm of the generator(at 16 kn) 4.5 회전수에따른에너지저감유닛의성능특성 Fig. 13은제너레이터의회전수변화에따른에너지저감유닛의압력변동을나타낸다. 엘리베이터카의부하조건이 16 kn에서제너레이터의회전수를 1800 rpm, 2000 rpm, 2200 rpm으로변화를주었으며, 이러한조건에서엘리베이터승강에따른압력변동을측정하였다. 제너레이터의회전수가증가할수록하강행정의시간이짧아지고있음을알수있으며, 이는하강행정이같은상황에서에너지저감유닛을통과하여탱크로돌아가는작동유의유량과속도가빨라지기때문이다. 그러나 Fig. 14는제너레이터의회전수변화에따른에너지저감유닛을통과하는작동유의유량을나타내고있다. Fig. 13과같은조건에서엘리베이터의하강에따른작동유의유량변동을측정하였다. 제너레이터의회전수가증가할수록하강행정의시간이짧아지고, 작동유의유량은증가하고있음을알수있다. 이는하강거리가같은상황에서에너지저감유닛을통과하여탱크로돌아가는작동유는유압실린더에포함되어있는양으로일정한상태에서, 작동유의유속이빨라지면통과시간은줄어들기때문이다. 또한, 상승행정에서유량이나타나지않는이유는상승행정에서는작동유가에너지저감유닛을통과하지않기때문이다. 2593
한국산학기술학회논문지제 14 권제 6 호, 2013 Fig. 15는제너레이터의회전수변화에따른에너지저감유닛의출력전압변동을나타내고있다. Fig. 13과같은조건에서엘리베이터하강에따른에너지저감유닛의출력전압변동을측정하였다. 제너레이터의회전수가증가할수록파형의주기는짧아지고, 출력전압의크기는커지고있음을알수있다. 이는회전수에따른제너레이터의출력특성으로회전수가증가할수록출력전압이증가하기때문이다. [Fig. 16] Output current characteristics according to the rpm of the generator(at 16 kn) [Fig. 15] Output voltage characteristics according to the rpm of the generator(at 16 kn) Fig. 16은 Fig. 13과같은조건에서제너레이터의회전수에따른에너지저감유닛에서발생하는출력전류의변동을나타내고있다. 제너레이터의회전수가증가할수록파형의주기가짧아지고, 출력전류가회전수증가에따라서거의비례적으로커지고있음을알수있다. 이는제너레이터의회전수에따른출력특성으로회전수가증가할수록출력전류가증가하기때문이며, 축전지에충전되는전류가그만큼증가한다. Fig. 17은제너레이터의회전수에따른에너지저감유닛의효율을나타내며, 엘리베이터카의속도가증가할수록출력파워가상대적으로증가하기때문에에너지저감유닛의효율은증가하고있음을알수있다. 회전수에따른에너지저감유닛의효율은평균약 13% 54% 의범위내에있음을확인할수있었다. 따라서본연구를통하여개발된유압식엘리베이터용에너지저감장치의최대효율은시험범위내에서최대약 54% 로나타나고있으며, 기존의유압식엘리베이터에서하강시손실되는에너지의약 54% 를회수할수있다고보여진다. [Fig. 17] Efficiency characteristics according to the rpm of the generator(at 16 kn) 5. 결론 본연구의목표는엘리베이터가상승할때생성된위치에너지를이용하여엘리베이터가하강할때전기에너지로변환하여배터리에저장하고, 축전된전기에너지를엘리베이터의재상승시전력의일부로보조하거나관련부품의에너지원으로사용하도록하여에너지소비량을저감할수있는하이브리드방식유압식엘리베이터용에너지저감장치의성능특성을파악하고자한것이다. 정리하면다음과같다. 1) 엘리베이터카의부하가증가할수록입력파워가상대적으로증가하기때문에에너지저감유닛의효율은저하되며, 에너지저감유닛의효율은평균약 25% 48% 의범위내에있음을확인할수있었다. 2594
2) 엘리베이터카의속도가증가할수록출력파워가상대적으로증가하기때문에에너지저감유닛의효율은증가하며, 에너지저감유닛의효율은평균약 13% 54% 의범위내에있음을확인할수있었다. 따라서기존의유압식엘리베이터에서하강시손실되는에너지의최대약 54% 를회수할수있을것으로보여지며, 결과에서보여지듯이에너지저감장치의출력특성도안정적이고, 양호한결과를도출할수있었다. 그러므로본연구의에너지저감장치를활용하여유압식엘리베이터의에너지효율을획기적으로개선할수있을것으로여겨지며, 상용화의가능성이충분하다고판단된다. 조인성 (Ihn-Sung Cho) [ 정회원 ] 1994 년 2 월 : 전북대학교대학원정밀기계공학과 ( 공학석사 ) 2005 년 2 월 : 전북대학교대학원정밀기계공학과 ( 공학박사 ) 2007 년 6 월 ~ 현재 : ( 유 ) 한독엘리베이터기술연구소연구소장 2009 년 3 월 ~ 현재 : 전주대학교기계자동차공학과객원교수 2011 년 4 월 ~ 현재 : 전북대학교기계시스템공학부겸임교수 < 관심분야 > Tribology, 유 공압분야 References [1] 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 [2] J. S. Lee, "Behavior Analysis of Elevator Door", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 8, No. 5, pp. 991-994, 2007 [3] 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 [4] 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 [5] 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 [6] 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 2595