엘리베이터 구동동력 산정

왜 배우는가: 엘리베이터 구동동력은 건축전기 설비에서 전동기 용량과 전원 설비 규모를 정하는 기초 계산이다. 고층 건물이 늘면서 권상 높이와 속도가 커져 동력 산정의 중요성이 커졌고, 기술사 시험에서도 산정 절차와 계산 문제로 반복 출제되고 있다.

출제 이력: 제94회 4교시 5번, 제89회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

로프식 엘리베이터 구동동력은 카 중량과 균형추 중량의 차, 정격속도, 기계효율로 정해지는 권상 전동기의 출력이다.

• 권상기
• 균형추
• 정격속도
• 정격하중
• 불평형 하중
• 기계효율
• 기동토크
• 가감속 동력

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 엘리베이터 전동기가 카를 위아래로 움직이는 데 필요한 힘과 속도를 곱해 출력을 구하는 것이다. 카와 균형추를 로프로 매달고 권상기(권상기)의 시브를 돌려 움직이므로, 전동기가 부담하는 것은 카 전체 무게가 아니라 두 무게의 차이다.

정식으로는 균형추가 카 무게에 정격하중의 일정 비율을 더한 값을 가질 때, 전동기가 실제로 들어 올리는 불평형 하중을 기준으로 출력을 계산한다. 균형추는 대개 카 자중에 정격하중의 40~50%를 더한 값으로 둔다. 이 값을 쓰면 카가 정격하중을 싣고 올라갈 때와 빈 카가 내려갈 때 부하 차이가 최대가 된다.

정격속도는 카가 정상 운행할 때의 속도(m/s)다. 속도가 높을수록 같은 하중에서 필요한 출력이 커진다. 기계효율은 권상기와 감속기, 로프 시브에서 생기는 손실을 반영하는 계수다. 트랙션식은 로프와 시브의 마찰로 힘을 전달하므로 효율이 기계 구조에 따라 달라진다.

기동토크는 정지 상태에서 카를 움직이기 위해 필요한 토크다. 정지 상태 관성을 이겨야 하므로 정상 운전 토크보다 크다. 엘리베이터는 가속과 감속이 잦아 기동토크와 가감속 동력을 함께 봐야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 엘리베이터는 유압식이나 권동식이 많았다. 건물이 고층화되면서 권상높이가 길어지고 빠른 속도가 필요해졌고, 로프와 도르래를 이용한 트랙션식이 일반적인 방식이 되었다. 트랙션식은 로프 길이에 따른 제약이 적고 승강 행정이 긴 건물에 적합하다.

이 방식에서는 균형추를 두어 전동기 부담을 줄인다. 균형추가 카 무게를 상쇄하므로 전동기 용량을 줄일 수 있다. 다만 균형추 무게가 적절하지 않으면 전동기 부담이 커지므로, 균형추 설계와 동력 산정이 함께 이뤄져야 한다.

고속 엘리베이터는 가감속 구간에서 큰 동력을 요구한다. 전동기 용량을 정격속도 기준으로만 정하면 기동과 제동 구간에서 과부하가 생길 수 있다. 그래서 동력 산정은 정속 운전 동력과 가감속 동력을 구분해 검토해야 한다. 전동기 용량이 부족하면 승차감이 떨어지고 과열이나 고장 위험이 커지므로, 설계 단계에서 정확한 산정이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

로프식 엘리베이터는 권상기, 시브, 로프, 카, 균형추로 구성된다. 권상기는 전동기와 감속기를 결합한 기어드형과 전동기 끝에 시브를 직결한 기어리스형으로 나뉜다. 동력 산정은 전동기가 실제로 부담하는 힘을 기준으로 한다.

표의 구성요소 중 카와 균형추의 하중 차이가 동력의 출발점이다. 균형추는 카 자중에 정격하중의 40~50%를 더한 값으로 둔다. 이렇게 하면 카 측과 균형추 측의 차이가 정격하중의 약 절반 수준으로 줄어든다. 따라서 전동기는 불평형 하중만 감당하면 된다.

원리는 다음과 같다. 카 측 하중이 균형추보다 무거우면 전동기는 그 차이만큼의 힘으로 카를 끌어 올린다. 상승 시 적재량이 많을수록 불평형 하중이 커지므로 전동기 부하가 증가한다. 하강 시에는 부호가 반대로 되어 회생 상태가 된다. 설계는 상승 시 최대 불평형 하중을 기준으로 한다.

동력 산정 공식은 다음과 같다.

$P = \frac{(W_c - W_b)\,v}{102\,\eta}$

여기서 P는 전동기 출력(kW), W_c는 카 측 총중량(kgf, 카 자중과 정격하중의 합), W_b는 균형추 중량(kgf), v는 정격 속도(m/s), \eta는 권상기 전체 효율이다. 분모의 102는 102kgf·m/s = 1kW를 뜻하는 환산 상수다.

산정 절차는 다음과 같다.

• 카 자중, 정격하중, 정격 속도, 승강 높이를 확정한다.
• 균형추 중량을 카 자중에 정격하중의 40~50%를 더해 정한다.
• 상승 시 최대 불평형 하중 W_c - W_b를 구한다.
• 권상기 방식(기어드 또는 기어리스)에 따라 효율 \eta를 정한다.
• 공식으로 P를 계산한 뒤, 기동과 가속 여유를 더해 표준 용량의 전동기를 선정한다.

도식은 산정 흐름을 보여준다.

5. 관련 법령·기준·표준

로프식 엘리베이터의 동력 산정은 설계 원리에 따른 계산이다. 법령은 설치·검사·안전 기준을 정하고, 전기 공사는 KEC(한국전기설비규정)를 따른다. 한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용되며, 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다. 전동기 분기회로의 전선 굵기와 보호 장치는 이 규정으로 정한다.

동력 산정에 쓰는 기준값은 다음 표와 같다.

표의 값 중 균형추 비율과 환산 상수는 설계의 기본 기준이다. 속도 구분은 용어 구분에 쓰인다. 효율은 방식에 따라 차이가 크므로 계산 때마다 제조사 값을 우선한다.

예제로 계산해 본다. 카 측 정격하중을 1,000kg, 균형추 비율을 0.45, 정격 속도를 1.5m/s, 기어리스 권상기 효율을 0.85로 둔다. 카 자중은 양쪽에서 상쇄된다.

• 불평형 하중: W_c - W_b = 1000 \times (1 - 0.45) = 550\,\text{kgf}
• 이론 동력: P = \frac{550 \times 1.5}{102 \times 0.85} = \frac{825}{86.7} \approx 9.5\,\text{kW}
• 결과 확인: 1,000kg급 중속 승강기의 구동 동력이 10kW 안팎이므로 상식 범위에 있다.
• 용량 선정: 9.5kW에 여유를 더해 표준 용량 11kW를 선정한다.

이 기준은 기본 산정을 위한 것이다. 기동 토크와 가속 시 필요한 여유는 계산값 위에 더해 고려한다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

엘리베이터 구동방식은 크게 로프식(트랙션식)과 유압식으로 나뉘며, 로프식은 권상기 구조에 따라 기어드식과 기어리스식으로 나뉜다. 구동전동기 용량을 산정하려면 먼저 구동방식과 전동기 종류를 구분해야 한다. 기어드식은 고속 전동기와 감속기(웜 기어)를 쓰고, 기어리스식은 저속·고토크 전동기에 구동 시브를 직접 연결한다.