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엘리베이터 제어 방식의 변천 및 전기설비 보수 요령
2013년 11월 5일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2013년 11월호 - 전체 보기 )

엘리베이터 제어 방식의 변천 및 전기설비
보수 요령


엘리베이터는 현대인들의 생활과 밀착된 수직 교통수단으로 우리에게는 너무도 친숙하고 편리한 존재이다. 하지만 관리자의 이해 부족 및 관리 소홀로 인해 잦은 고장과 함께 대형 사고로까지 이어질 수 있는 위험성 또한 가지고 있다. 여기서는 그 사례와 원인들에 대해 살펴보고, 더 나아가 다양한 엘리베이터 제어 방식의 변천 과정과 그 내용들을 자세히 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

건축물이나 역 또는 지하상가 등에서 수직형 교통기관으로서 중요한 위치를 차지하고 있는 엘리베이터와 관련 현재 주류인 견인식 엘리베이터 제어방식의 변천과 전기설비 보수 시의 중점사항에 대해 기술한다. 견인식 이외에도 유압식, 드럼식, 랙과 피니언Rack and pinion식 등이 있지만 여기서는 생략하기로 한다.
 
엘리베이터의 기본 구성
견인식 엘리베이터의 구성 예를 <그림 1>에 나타냈다. 권상기는 모터, 감속기, 브레이크(제동기), 망차로 구성되어 있다. 이전에는 고속기종에서만 사용되었던 감속기가 없는 것(기어리스)이 최근에는 주류가 되고 있다. 기어리스를 통해 구동효율이 상승되고, 이에 따라 속도제어장치의 전력 변환 부분이 소용량화되어 소비전력의 절감과 에너지 절약 및 자원 절약까지 도모할 수 있다. 승강실 내에 정격 적재량의 45~50% 정도 승차했을 시 승강실과 균형추의 무게가 같아지도록 설계되어 있다. <그림 2>에 머신룸 리스Machine-room-less(MRL, 기계실이 없는 엘리베이터) 타입의 구성 예를 나타냈다. 기계실이 불필요하기 때문에 널리 보급이 가능하고, 저층용에서 주류였던 유압식을 능가했다. 그리고 지금까지 기계실에 설치했던 제어반 및 권상기를 승강로 안에다가 설치했다. 이 밖에 권상기를 승강로 하부에 설치하는 제어반이 승강로 내부에 설치되는 등 다양한 타입이 존재한다.


 

제어방식의 변천
<표 1>에 제어방식의 변천을 나타냈다. 70년대 이전에는 큰 변화가 없으며, 제조회사에 따라 차이가 있을 수 있다. 이 표에서 속도란은 정격속도를 나타낸다. 기기란에서의 제어방식은 속도제어방식을, 권상기는 모터 및 감속기의 종류를, 그리고 신호처리는 엘리베이터의 운행 관리 방식을 나타낸다.
속도제어방식
교류 2단 속도방식
AC2라고도 불리는 교류 2단 속도방식의 구성 예를 <그림 3>에 나타냈다. 통상 4/16P의 농형籠形 또는 6/24P의 권선형 모터가 사용된다. 농형에서는 이중권선이, 권선형에서는 탠덤 구조가 사용된다. 기동 시 또는 정격속도 주행 시는 고속측 권선을 사용하고, 정지 층의 일정거리 앞에서 저속측 권선으로 전환하여 감속시키며 착상 위치 직전에서 브레이크를 체결하여 정지시킨다. 승차감 개선을 위해 1차측(권선형 모터의 경우는 2차측)에 저항을 넣어 순차 단락시킨다. <그림 3>에서는 노치수 2의 예를 보여주고 있지만, 용도나 모터 용량 또는 모터 특성에 따라 달라지는 노치수도 있다. 구조가 간단하고 견고하기는 하지만, 승강실 내 부하변동에 따른 착상 오차를 줄이기 위한 저속운전시간(크리프 시간)이 있기 때문에 층간 운전시간이 길고, 노치 투입에 의한 토크 변동이 커 승차감이 떨어진다. 정격속도가 30m/분 이하에서는 저속측 모터를 사용하지 않는 '교류 1단 속도방식(AC1)'이 사용되기도 한다.


   
교류 귀환 제어방식
ACVV라고도 불리는 교류 귀환 제어방식의 구성 예를 <그림 4>에 나타냈다. 고속측은 사이리스터에 의한 1차 전압제어 또는 교류 2단 속도와 동일한 기동저항을 이용한 방식으로 하고, 제동측은 사이리스터에 의한 직류전압을 모터에 가하는 다이나믹 브레이크(DB제어)를 작동시킨다. 속도 지령에 따라 크리프 리스로 착상 가능하기 때문에 층간 운전시간이 짧고 승차감이 뛰어나지만, 모터의 발열이 크다는 것이 단점이었다. 2권선 모터를 사용하지 않고, 1권선 모터를 이용해 감속 시에는 구동 회로에서 모터를 전원으로부터 분리하여 제동 전류를 모터에 가하는 등 다양한 어레인지가 이루어졌다.

워드 레오나드 방식
정격속도가 105m/분 이상의 기종에서는 속도제어 범위가 넓기 때문에 전동 발전기를 사용한 워드 레오나드 방식이 이용되었다. 이 방식의 구성 예를 <그림 5>에 나타냈다. 이 그림에서는 계자 전류의 제어에 사이리스터를 이용하고 있지만, 사이리스터가 널리 이용되기까지는 저항기를 보조계전기의 접점에서 순차 단락하여 제어하는 방식도 있었다. 또 옛날에는 직류전원의 확보가 어려웠기 때문에 전동 발전기에 직류 발전기를 동축同軸접속한 것도 있었다.

사이리스터 레오나드 방식
정지 레오나드 방식이라고도 불리는 사이리스터 레오나드 방식의 구성 예를 <그림 6>에 나타냈다. 이 방식은 대용량 사이리스터가 입수 가능해진 시점부터 사용되었지만, 이후 인버터 방식으로 대체되었다. 사이리스터의 전류轉流개폐 잡음(Switching Noise)이 발생하기 때문에 전원설비의 용량에 주의가 필요하다.

인버터 방식

VVVF라고도 불리는 인버터 방식의 구성 예를 <그림 7>에 나타냈다. 최근 엘리베이터뿐만 아니라, 다른 기기에서도 널리 사용되고 있는 방식이다. 엘리베이터에서는 승강실 내 하중과 운전방향에 따라 회생전력이 발생한다.(승강실이 빈 상태로 상승하는 경우 등) 이 회생전력을 흡수하기 위해 인버터의 직류단에 회생전류 흡수용 저항기를 설치해 열을 발산하고 있다. 정격속도 120m/분을 넘는 것의 대부분은 컨버터를 정류회로로 바꾸어 회생전력을 전원으로 되돌리고 있다.(전원회생 타입)
 

신호처리
승강실 내에 설치된 버튼 신호를 통한 운전 방향의 결정과 목적 층의 운행 제어로는 릴레이를 이용한 릴레이 시퀀스가 사용되고 있었으나, 80년대에 들어 마이크로 컴퓨터와 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러Programmable Logic Controller)가 사용되었다. 마이크로 컴퓨터와 PLC의 사용을 통해 자기 진단 기능 및 보호 기능 등이 추가되어 신뢰성이 크게 향상되었다. 또 사양의 변화에 따른 하드웨어의 변경이 적어져 제어반의 소형화 및 생산성이 향상되었다. 또한 여러 대의 엘리베이터를 하나로 관리하여 대기시간의 단축 및 출퇴근 시 편리성의 향상 등 보다 나은 서비스를 제공하기 위한 군관리 방식이 있다. 릴레이 시퀀스 시대에는 수천 개의 릴레이를 이용하여 군관리를 하기도 했지만, 마이크로 컴퓨터의 사용을 통해 퍼지나 뉴로의 최신 제어 이론을 응용하는 등 제어 방식이 점점 고기능화되어가고 있다.
 
고조파에 대해
사이리스터를 이용한 속도제어장치와 인버터가 사용되면서 전원파형 왜곡이나 고조파 전류의 유출 등이 문제가 되기 시작했다. 현재에는 공조기기 등 다른 기기에서도 고조파가 발생하는 기기들이 사용되고 있어 그 사용상 주의사항이 널리 알려져 있기 때문에 문제가 발생하는 사례들이 줄어들고 있다.
 
에너지 절약에 대해
특히 2011년 3월에 발생한 동일본 대지진 이후 절전이 한층 요구되고 있다. 엘리베이터 등 승강기가 있는 빌딩 내에서의 소비전력은 건물의 용도나 이용 빈도 등에 따라 다르게 나타나지만, 대체로 건물 전체 소비전력의 3~5% 정도라고 한다. 엘리베이터 가동률이 높은 빌딩에서는 일부 엘리베이터를 정지시킴으로써 전력소비량의 절감을 도모할 수 있지만, 대기시간이 길어지는 사례도 있어 이용자의 편리성도 함께 감안할 필요가 있다. 적재량이 서로 다른 2대의 엘리베이터가 설치되어 있는 아파트에서 적재량이 적은 엘리베이터를 정지시킨 결과, 소비전력이 증가한 사례도 있다. 교통수요가 많은 출퇴근 시간이나 점심시간을 제외하고는 일부를 정지시키는 등 에너지 절약과 이용자의 편리성을 감안한 시책을 취해야 할 것이다. 또한 오래된 AC2방식을 최신의 VVVF방식으로 변경하면 대폭적인 에너지 절감을 기대할 수 있다.
 
수리에 대해
기설 엘리베이터 수리 시에는 속도제어방식도 변경되는 경우가 있다. 이 경우 전원설비의 용량, 자가 발전기의 용량, 전원 차단기의 종류와 용량, 급전선과 접지선의 길이와 지름 등 현 설비의 문제점들에 대해 엘리베이터 수리업자에게 확인을 받는 것이 사후 트러블 방지에 있어 도움이 된다.
 
트러블 사례에 대해
[사례 1] 엘리베이터의 급정지
■ 원인 1: 건물 내 설비의 증설로 전기실 내 차단기 용량이 부족해져 엘리베이터의 가속 시 차단기가 트립됐다. 또는 엘리베이터 가속 시 전원 전압의 강하로 보호회로가 동작하여 엘리베이터가 정지했다.
■ 원인 2: 건물측의 퓨즈가 용단되었다. 엘리베이터는 기동빈도가 높고, 기동전류로 퓨즈의 열화가 진행되어 용단되었다.

[사례 2] 엘리베이터가 기동되지 않는다.
■ 원인: 전원설비 수리공사 시 위상이 변경되었기 때문에 엘리베이터 제어반의 역상逆相검지기가 동작했다.
 
[사례 3] 엘리베이터가 주행하면 전화, 라디오, 방송설비에서 잡음이 발생한다.
■ 원인 1: 접지선의 미접속 혹은 엘리베이터용 접지선에 다른 기기가 접속되어 있었다. 인버터 사용 기종에서는 접지선에 고주파 누설전류가 타고 들어오지만, 접지선이 다른 기기와 공용되고 있으면 고조파 전류에 의해 다른 기기에서 고주파 노이즈가 발생하는 경우도 있다.
■ 원인 2: 엘리베이터용 전원간선과 스피커용 배선이 동일 경로에 있었다. 전원간선에 흐르는 고조파 전류를 통해 스피커선에 고조파가 타고 들어왔다.

[사례 4] 엘리베이터가 주행하면 형광등이 깜빡인다.
■ 원인: 전원용량의 부족(설비가 증설되었기 때문)

[사례 5] 엘리베이터의 역주행
■ 원인: 전원설비의 수리공사 시 위상이 변경되어 있었다. 오래된 기종에서는 역상 검지 릴레이가 설치되지 않은 것도 있다. 이 밖의 트러블 사례는 보고되지 않았지만 상용전원, 자가발전원의 전환을 포함한 자가 발전 설비의 점검·유지·관리도 중요하다.

*
엘리베이터 등의 승강기는 건물 내의 수직 교통수단으로서 일반용으로 제공되고 있으며 공공 시설적인 면도 가지고 있다. 이러한 승강기를 보다 안전하게 이용할 수 있는 상태를 유지하기 위해서는 무엇보다 소유자 및 관리자가 그 특성을 잘 이해하는 것이 중요하다. 본고가 그 일조가 되었으면 하는 바람이다.

<Energy News>

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