KR100887149B1 - 토출 저압 검출 기능을 구비한 인버터 부스터 펌프 장치 - Google Patents

토출 저압 검출 기능을 구비한 인버터 부스터 펌프 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부스터 펌프 펌프에 있어서, 각각의 펌프에 개별 인버터를 설치된 펌프에서, 펌프 펌프과 펌프를 보호하기 위한 방법으로써 펌프 펌프의 토출배관이 파손되었거나 펌프에 공기가 유입되었을 경우 토출압력과 인버터의 출력전력을 이용하여 펌프 토출부의 저압상태를 검출하는 방법에 관한 것이다
부스터 펌프, 저압 검출, 인버터, PID 제어

Description

토출 저압 검출 기능을 구비한 인버터 부스터 펌프 장치{Outlet Low-Pressure Detection System of Inverter Booster Pump System}
본 발명은 부스터 펌프 펌프에 있어서, 각각의 펌프에 개별 인버터를 설치된 펌프에서, 펌프 펌프과 펌프를 보호하기 위한 방법으로써 펌프 펌프의 토출배관이 파손되었거나 펌프에 공기가 유입되었을 경우 토출압력과 인버터의 출력전력을 이용하여 펌프 토출부의 저압상태를 검출하는 방법에 관한 것이다
부스터 펌프 펌프의 일정압력 제어방법은 펌프 대수제어 방식과 인버터를 이용한 펌프 회전수 제어방식이 있다. 펌프 대수제어 방식은 토출부에 압력센서나 압력스위치를 설치하여 토출부의 압력에 따라 펌프의 운전 대수를 제어하여 토출부 압력을 일정하도록 제어하는 방식이다. 이 방식은 펌프를 제어할 때 전원전압을 직입 연결하므로 기동전류가 크고 토출 압력의 편차가 크다. 또한 펌프의 기동시 높은 압력이 배관에 가해지므로 이를 완충하기 위해 토출부에 용량이 큰 완충용 압력탱크를 설치하여야 한다. 이로 인해 압력탱크의 수명에 따라 유지보수가 필요하며 일반적인 회전수 제어방식에 비해 펌프의 기계적 수명이 짧아지는 단점이 있다. 펌프 회전수 제어방식은 토출부에 압력센서를 설치하고 유량 변화에 따라 토출 압력을 일정하게 제어하기 위해 펌프의 회전속도를 제어하는 방식이다. 펌프 회전수 제어방식은 펌프 회전수를 제어하는 인버터의 수에 따라 단독 인버터 제어방식과 개별 인버터 제어방식이 있다. 단독 인버터 제어방식은 토출부의 유량에 따라 하나의 펌프만 인버터로 제어하고 나머지 펌프는 직입 운전을 하는 방식이다. 단독 인버터 제어방식은 유량에 따라 펌프의 회전수를 제어하므로 대수제어에 비해 정확하게 토출압력을 제어할 수 있다. 그러나 인버터로 제어되는 펌프를 제외한 펌프는 기동시 직입 운전을 하기 때문에 기동전류가 클 뿐만 아니라 높은 압력이 배관에 가해지므로 완충용 압력탱크가 반드시 필요하다. 개별 인버터 제어방식은 각각의 펌프에 인버터를 설치하여 소프트 기동이 가능하여 입력 전원의 순간적인 과전류를 방지 할 뿐만 아니라 토출 유량 변화에 따라 압력을 세밀하게 제어할 수 있는 제어방식이다. 또한 이 제어방식은 각각의 펌프의 회전속도를 독립적으로 제어할 수 있으며 부스터 펌프 펌프의 운전 상태 또는 부하량이나 각 펌프의 상태 정보를 정확하게 얻을 수 있다. 이러한 상태 정보를 이용하여 펌프 펌프이나 펌프를 보호할 수 있어 전체 펌프의 신뢰성을 높일 수 있다. 종래의 펌프 보호 기능 중에서 펌프 펌프에서 토출배관이 파손 또는 누수가 발생했을 경우 펌프을 정지시키거나 펌프에 공기가 유입 되었을 경우 펌프의 파손을 방지하기 위해 펌프를 정지시키는 저압 경보 기능이 있다. 현재의 대부분 저압 검출 방법은 일정 시간 동안에 펌프가 운전할 때 토출압력이 증가하지 않을 때 저압 상태를 검출하는 것이다. 이런 방법은 펌프의 토출 배관이 파손되어 저압 경보가 발생했는지 펌프에 공기가 유입되어 저압 경보가 발생했는지를 구분할 수 없어서 효과적으로 저압 경보 기능을 수행할 수 없다. 왜냐하면 펌프의 배관이 파손되었을 경우와 펌프에 공기가 유입되었을 경우에 따라 검출 방법이 달라야 하고 경보 발생 후 조치 사항이 달라야 하기 때문이다. 펌프 배관이 파손된 경우에는 검출 시간이 펌프에 공기가 유입되었을 경우보다 검출시간이 짧아야 하고 이 경우는 펌프의 경보에 해당하므로 전체 펌프의 마스터 컨트롤러에서 검출하여 펌프을 정지시켜야 한다. 이와 달리 펌프에 공기가 유입되었을 경우에는 펌프 펌프이 아닌 단일 펌프에서의 경보에 해당하므로 단일 펌프의 제어기에서 검출을 하여 펌프가 소손되지 않도록 검출된 펌프를 정지시켜야 한다.
본 발명은 개별 인버터 제어방식의 부스터 펌프 펌프에 있어서, 펌프 펌프과 펌프를 보호하기 위한 방법으로써 펌프 펌프의 토출배관이 파손되었거나 펌프에 공기가 유입되었을 경우 토출압력과 인버터의 출력전력을 이용하여 펌프의 저압상태를 검출하는 방법을 제안하는 데 있다.
본 발명은 목적은 부스터 펌프 펌프에 있어서, 각각의 펌프에 개별 인버터를 설치된 펌프에서, 토출부가 파손이 되거나 누수가 발생하는 경우에 대해서는 전체 펌프을 보호하고 부스터 펌프 중에서 공기가 유입된 펌프가 있을 경우에는 펌프를 보호하는 저압 검출 방법을 제공하는 데 있다
본 발명은 상기 문제 해결을 위해 인버터를 포함하는 부스터 펌프 펌프에 있어서, 상기 인버터는 입력전원에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부와 상기 정류부에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터;와 PWM 발생부에서 신호를 받아 상기 평활용 커패시터에서 평활된 직류 전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부와 상기 인버터부의 출력전원을 검출하는 전류센서와 PID 제어기와 제1 저압 검출부의 출력인 제1 TLP 신호를 이용하여 슬레이브 인버터의 펌프 회전수를 제어하는 슬레이브(slave) 제어기와, 상기 슬레이브 제어기의 출력인 슬레이브 인버터의 펌프 회전수와 펌프의 현재 토출압력과 인버터의 출력전력을 이용하여 제1 TLP 신호와 제2 TLP 신호를 출력하는 제2 저압 검출부와, 마스터 인버터에서 출력되는 펌프 회전수를 입력받아 인버터의 출력전압을 결정하는 V/f 제어기와, 상기 인버터부에 연결된 상기 전류센서에서 검출한 3상 전류를 2상 전류로 변환시키는 3상/2상 변환기와 연산부를 구비하여 펌프 토출부의 저압상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 인버터를 포함하는 부스터 펌프 펌프을 제공하고자 한다.
본 발명의 효과는 부스터 펌프 펌프에 있어서, 각각의 펌프에 개별 인버터를 설치된 펌프에서, 토출부가 파손이 되거나 누수가 발생하는 경우와 부스터 펌프 중에서 공기가 유입된 펌프가 있을 경우를 정확하게 검출하여 전체 펌프을 보호할 뿐만 아니라 펌프를 에는 펌프를 보호할 수 있다.
본 발명의 구성을 이하, 첨부 도면과 관련하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명의 저압 검출방법이적용된 인버터 제어 블록도이다. 인버터(2)는 하드웨어적으로 입력전원(1)에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부(2-1)과 정류부(2-1)에서 정류된 직류전원을평활하는 평활용 커패시터(2-2)와 PWM발생부(2-8)에서 신호를 받아 평활용 커패시터(2-2)에서 평활된 직류전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는인버터부(2-3)와 인버터부(2-3)의 출력전류를검출하는 전류센서(2-4)이 구성되어 있다. 본 발명의 저압 검출방법이 적용된 인버터(2)의 제어부는 마스터(master)부와 슬레이브(slave)부로 이루어 진다. 마스터부는 마스터인버터에만 있으며, 부스터 펌프(4)의 토출부에 설치된 압력센서(3)에서 검출된 현재 토출압력(
Figure 112008057645201-pat00001
)을 입력받아 설정압력(
Figure 112008057645201-pat00002
)에 대해서 펌프 지령 회전수(
Figure 112008057645201-pat00003
)이 출력되는 PID 제어기(2-8)와 PID 제어기(2-8)에서 출력된 펌프 지령 회전수(
Figure 112008057645201-pat00004
)와 제 1저압 검출부(2-7)의 출력인 제1 TLP신 호(Trip1 of Low Pressure : 토출부의 파손이나 누수에 의한 저압) 이용하여 슬레이브 인버터의 펌프 회전수(
Figure 112008057645201-pat00005
,
Figure 112008057645201-pat00006
,
Figure 112008057645201-pat00007
,
Figure 112008057645201-pat00008
,
Figure 112008057645201-pat00009
,
Figure 112008057645201-pat00010
)를 제어하는 슬레이브 제어기(2-9)와 슬레이브 제어기(2-9)의 출력인 슬레이브 인버터의 펌프 회전수(
Figure 112008057645201-pat00011
,
Figure 112008057645201-pat00012
,
Figure 112008057645201-pat00013
,
Figure 112008057645201-pat00014
,
Figure 112008057645201-pat00015
,
Figure 112008057645201-pat00016
)와 현재 펌프의 토출압력(
Figure 112008057645201-pat00017
)과 슬레이브인버터의 출력전력(
Figure 112008057645201-pat00018
,
Figure 112008057645201-pat00019
,
Figure 112008057645201-pat00020
,
Figure 112008057645201-pat00021
,
Figure 112008057645201-pat00022
,
Figure 112008057645201-pat00023
)를 이용하여 제1 TLP신호(Trip1 of Low Pressure : 토출부의 파손이나 누수에 의한 저압)와 제2 TLP신호(Trip2 of Low Pressure : 펌프의 공기유입에 의한 저압)를 출력하는 제2저압 검출부(2-10)로 구성된다. 슬레이브 부는 모든 인버터에 있으며 마스터인버터에서 출력되는 펌프 회전수(
Figure 112008057645201-pat00024
, X=1,2,3,…,6)와마스터인버터의마스터부에서 출력되는 TLP2신호(Trip2 of Low Pressure : 펌프의 공기유입에 의한 저압)를 입력받아 인버터의 출력전압(
Figure 112008057645201-pat00025
,
Figure 112008057645201-pat00026
)를 결정하는 V/f 제어기(2-5)과 인버터의 출력전압(
Figure 112008057645201-pat00027
,
Figure 112008057645201-pat00028
)을 입력받아 인버터부(2-3)를 제어하는 신호를 발생시키는 PWM 발생부(2-8)이 있으며 인버터부(2-3)에 출력에 연결된 전류센서(2-4)에서 검출한 3상 전류(
Figure 112008057645201-pat00029
,
Figure 112008057645201-pat00030
,
Figure 112008057645201-pat00031
)를 2상 전류(
Figure 112008057645201-pat00032
,
Figure 112008057645201-pat00033
)로 변환 시키는 3상/2상 변환기(2-11)과 2상 전류(
Figure 112008057645201-pat00034
,
Figure 112008057645201-pat00035
)와 인버터의 출력전압(
Figure 112008057645201-pat00036
,
Figure 112008057645201-pat00037
)을 입력 받아 출력전력(
Figure 112008057645201-pat00038
)을 연산하는 출력전력 연산부(2-12) 로 이루어져 있다.
제2도는 본 발명에서의 출력전력 연산부 블럭도이다. 슬레이브인버터의 출력전력(
Figure 112008057645201-pat00039
)는 다음 식에 의해 연산된다.
Figure 112008057645201-pat00040
(1)
제3도는 본 발명의 저압 검출방법의 순서도다. 여기에서 본 발명의 저압 검출방법을 상세히 기술하면 다음과 같다. 인버터의 제어 주기(K-th Sampling)에서
S1 : 현재 인버터가 마스터(마스터)인버터인지 슬레이브(슬레이브)인버터인지를 판단한다. 마스터 인버터는 토출부의 파손에 의한 저압 상태(제1TLP)과 펌프의 공기유입으로 인한 저압 상태(제2TLP)를 모두를 검출하고 슬레이브 인버터는 펌프의 공기유입으로 인한 저압 상태만을 검출한다. 현재 인버터가 마스터 인버터이면 S2 단계로 보내지며, 슬레이브 인버터이면 S10단계로 이동한다
S2 : 하나 이상의 펌프가 운전하고 있을 때(
Figure 112008057645201-pat00041
), 펌프의 토출압력(
Figure 112008057645201-pat00042
)이 기준압력(
Figure 112008057645201-pat00043
)에 도달하는지를 판단한다. 왜냐하면 토출부의 파손이나 누수가 발생하게 되면 펌프가 운전하더라도 토출 압력(
Figure 112008057645201-pat00044
)이 증가하지 않기 때문이다. 펌프의 토출압력(
Figure 112008057645201-pat00045
)이 기준압력(
Figure 112008057645201-pat00046
)에 도달하지 못하면 S3단계로 이동하고 도달하면 S4 단계를 수행한다.
S3 : 펌프의 출력전력(
Figure 112009003400774-pat00047
)을 연산한다. 펌프의 출력전력은 각 인버터의 출력전력(
Figure 112009003400774-pat00048
)의 합으로 구한다.
S4 : 펌프의 토출압력(
Figure 112008057645201-pat00049
)이 기준압력(
Figure 112008057645201-pat00050
)에 도달했으므로 TLP1유지시간 (
Figure 112008057645201-pat00051
)은 0으로 리셋하고 S10으로 이동한다.
S5 : S3에서 연산한 펌프의 출력전력(
Figure 112009003400774-pat00052
)이 TLP1의 설정 전력(
Figure 112009003400774-pat00053
)보다 큰지를 판단한다. 일반적으로 토출부의 파손이나 누수가 발생하게 되면, 토출부의 압력은 증가하지 않지만 펌프의 유량이 증가하므로 전체 펌프의 출력전력은 정격 운전을 하게 된다. 그러므로 TLP1의 설정 전력(
Figure 112009003400774-pat00054
)을 운전 펌프에 대해 정격으로 설정하면 토출부의 파손이나 누수를 검출하여 전체 펌프을 보호할 수 있다. 펌프의 출력전력(
Figure 112009003400774-pat00055
)이 TLP1의 설정 전력(
Figure 112009003400774-pat00056
)보다 크면 S5단계로 이동하고 작으면 S10단계로 넘어간다.
S6 : 펌프 펌프의 TLP1 유지시간 (
Figure 112009003400774-pat00057
)를 증가 시킨다.
S7 : 펌프 펌프의 TLP1 유지시간 (
Figure 112009003400774-pat00058
)이 설정시간(
Figure 112009003400774-pat00059
)에 도달했는지를 판단한다. 설정시간(
Figure 112009003400774-pat00060
)에 도달하면 S8 단계로 이동하고 도달하지 못하면 다음 제어주기로 넘어간다.
S8 : 펌프 펌프의 TLP1 유지시간 (
Figure 112009003400774-pat00061
)이 설정된 시간(
Figure 112009003400774-pat00062
)에 도달했으므로 토출부의 파손이나 누수에 의한 저압 상태라고 판단하고 S9 단계로 이동한다. 이때 TLP1 유지시간 (
Figure 112009003400774-pat00063
)은 0으로 리셋한다.
S9 : 토출부의 파손이나 누수에 의한 저압 상태(TLP1)가 발생했으므로 전체 펌프을 정지시키고 경보를 알린다. (
Figure 112009003400774-pat00064
,
Figure 112009003400774-pat00065
,
Figure 112009003400774-pat00066
,
Figure 112009003400774-pat00067
,
Figure 112009003400774-pat00068
,
Figure 112009003400774-pat00069
=0)
S10 : 현재 인버터는 슬레이브인버터이고 TLP1이 발생하지 않았을 경우, 펌프가 최대 운전 회전수(
Figure 112008057645201-pat00070
)로 운전하고 있는지를 판단한다.(
Figure 112008057645201-pat00071
) 펌프가 펌프가 최대 운전 회전수(
Figure 112008057645201-pat00072
)로 운전하고 있으면 S11 단계로 넘어가고 그 이하에서 운전하면 S12단계를 수행한다.
S11 : 인버터의 출력전력(
Figure 112008057645201-pat00073
)를 식(1)를 이용하여 구한다.
S12 : 펌프가 최대 운전 회전수(
Figure 112008057645201-pat00074
)로 운전하지 않으므로 TLP2유지시간 (
Figure 112008057645201-pat00075
)은 0으로 리셋하고 다음 제어주기로 이동한다.
S13 : S11에서 연산한 인버터의 출력전력(
Figure 112008057645201-pat00076
)이 TLP2의 설정 전력(
Figure 112008057645201-pat00077
)보다 작은 지를 판단한다. 펌프에 공기가 유입된 경우 토출 압력은 증가하지 않을 뿐만 아니라 펌프의 유량이 증가하지 않는다. 즉 최대 운전 회전수(
Figure 112008057645201-pat00078
)로 운전할 때 펌프의 부하는 증가하지 않는다. 설정 전력(
Figure 112008057645201-pat00079
)을 펌프의 손실과 전동기의 손실의 합으로 설정하면 펌프의 공기유입을 검출하여 펌프의 파손을 방지할 수 있다. 인버터의 출력전력(
Figure 112008057645201-pat00080
)이 TLP2의 설정 전력(
Figure 112008057645201-pat00081
)보다 작으면 S14단계로 이동하고 크면 다음 제어주기로 넘어간다.
S14 : 펌프의 TLP2 유지시간 (
Figure 112008057645201-pat00082
)를 증가 시킨다.
S15 : 펌프의 TLP2 유지시간 (
Figure 112008057645201-pat00083
)이 설정시간(
Figure 112008057645201-pat00084
)에 도달했는지를 판단한다. 설정시간(
Figure 112008057645201-pat00085
)에 도달하면 S16단계로 이동하고 도달하지 못하면 다음 제어주기로 넘어간다.
S16 : 펌프 펌프의 TLP2 유지시간 (
Figure 112009003400774-pat00086
)이 설정된 시간(
Figure 112009003400774-pat00087
)에 도달했으므로 펌프에 공기가 유입되어 저압 상태가 발생했다고 판단하고 S17 단계로 이동한다. 이때 TLP2 유지시간 (
Figure 112009003400774-pat00088
)은 0으로 리셋한다.
S17 : 펌프의 공기 유입에 의한 저압 상태(TLP2)가 발생했으므로 펌프의 운전을 정지시키고 경보를 알린다. (
Figure 112008057645201-pat00089
=0)
도 1은 본 발명의 저압 검출방법이 적용된 인버터 제어 블럭도
도 2는 본 발명의 출력전력 연산부 블럭도
도 3은 본 발명의 저압 검출방법의 순서도
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1 : 3상 입력 전원 2 : 인버터
2-1 : 정류부 2-2 : 평활용 커패시터
2-3 : 인버터부 2-4 : 전류센서
2-5 : V/f 제어기 2-6 : PWM 발생기
2-8 : PID 제어기
2-9 : 슬레이브 제어기 2-10 : 본 발명의 저압 검출부
2-11 : 3상/2상 변환기 2-12 : 출력전력 연산부
3 : 토출부 압력센서 4 : 부스터 펌프

Claims (1)

  1. 인버터를 포함하는 부스터 펌프 장치에 있어서,
    상기 인버터는
    입력전원에서 교류 전원을 공급받아 직류 전원으로 변환시키는 정류부와
    상기 정류부에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터;와
    PWM 발생부에서 신호를 받아 상기 평활용 커패시터에서 평활된 직류 전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부와
    상기 인버터부의 출력전원을 검출하는 전류센서와
    PID 제어기와
    제1 저압 검출부의 출력인 제1 TLP 신호를 이용하여 슬레이브 인버터의 펌프 회전수를 제어하는 슬레이브 제어기와,
    상기 슬레이브 제어기의 출력인 슬레이브 인버터의 펌프 회전수와 펌프의 현재 토출압력과 인버터의 출력전력을 이용하여 제1 TLP 신호와 제2 TLP 신호를 출력하는 제2 저압 검출부와,
    마스터 인버터에서 출력되는 펌프 회전수를 입력받아 인버터의 출력전압을 결정하는 V/f 제어기와,
    상기 인버터부에 연결된 상기 전류센서에서 검출한 3상 전류를 2상 전류로 변환시키는 3상/2상 변환기와,
    연산부를 구비하여 펌프 토출부의 저압상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 인버터를 포함하는 부스터 펌프 장치
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