KR101019676B1

KR101019676B1 - 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템

Info

Publication number: KR101019676B1
Application number: KR1020100059287A
Authority: KR
Inventors: 김태기; 손창현; 김석삼; 장충선; 정용섭; 허광호
Original assignee: 김태기
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2011-03-07

Abstract

본 발명은 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 구동전원부에 의하여 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터가 일정한 속도를 가지며 회전구동하도록 제어하는 제어장치와, 상기 서보모터의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 상기 서보모터에서 전달된 회전구동력을 저속회전 고출력으로 변환하는 감속기와, 상기 감속기의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 상기 감속기에서 변환된 회전구동력을 고속회전 저출력으로 변환하는 증속기와, 상기 증속기의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 전달된 회전구동력을 전기력으로 변환하는 발전기를 포함하여 발전시스템을 구축함으로써, 이산화탄소 배출이 전혀 없으며 구동에 의한 소음이 매우 적을 뿐만 아니라 매우 정밀하고 균일한 전력을 생산할 수 있는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템에 관한 것이다.

Description

서보모터를 이용한 저소음 발전시스템{LOW-NOISE POWER GENERATING SYSTEM USING SERVO MOTOR}

본 발명은 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 회전 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 서보모터와 전자기 유도에 의해 회전력을 전기력으로 변환하는 발전기를 이용하여 발전시스템을 구축함으로써, 이산화탄소 배출이 전혀 없으며 구동에 의한 소음이 매우 적을 뿐만 아니라 매우 정밀하고 균일한 전력을 생산할 수 있는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 대규모 공장 등에서는 한국 전력 등에서 생산한 전력을 송전 선로를 통해 공급받아 변압기를 이용하여 원하는 출력의 전력으로 변환하여 각종 장비나 장치를 구동하고 있다. 그러나 송전 선로의 단선이나 변압기의 고장 등에 의하여 정전 사고가 종종 발생하기도 하며, 최근 들어 전력 수요가 매우 증가함에 따라 한국 전력 등에서 공급되는 전력의 품질이 저하되거나 공장 등에서 요구되는 수요를 맞추지 못하는 경우가 발생하기도 한다.

이에 따라, 각 공장 등에서는 정전 사고에 대비하거나 자체적으로 고품질의 전력을 생산하기 위하여 자가 발전시스템을 구축하는 사례가 점점 증가하고 있는 추세이다. 이러한 종래의 자가 발전시스템에는 가솔린이나 디젤 엔진을 이용하여 전력을 생산하는 가솔린 또는 디젤 엔진 발전기가 많이 사용되는데, 그 중에서도 디젤 엔진 발전기가 대부분을 차지하고 있다.

그러나 상기와 같은 가솔린 또는 디젤 엔진 발전기는 최근 들어 원유가격의 급격한 상승으로 인해 전력 생산 비용이 비효율적으로 증가하게 되었고, 또한 화석 연료를 사용함으로 인한 이산화탄소 등과 같은 배기가스 배출로 인하여 환경에 나쁜 영향을 미치게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 가솔린 또는 디젤 엔진은 연료의 폭발로 인한 피스톤 운동으로 기관을 구동시키므로 항상 소음에 노출될 수밖에 없었을 뿐만 아니라, 상기 가솔린 또는 디젤 엔진의 구동 속도를 정밀하고 균일하고 제어하는 것은 매우 어렵기 때문에 생산되는 전력의 품질도 보장하지 못하는 문제점도 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 서보모터를 이용하여 정밀하고 균일한 회전 구동속도를 제어하여 고품질의 전력을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 화석 연료를 전혀 사용하지 않음으로 인하여 배기가스에 의한 오염이 전무하며 폭발음 등과 같은 구동 소음을 발생시키지 않는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템은, 구동전원부에 의하여 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 실제 회전구동속도와 목표 회전구동속도를 비교하여 상기 서보모터의 회전구동속도를 보정하는 제어장치와, 상기 서보모터의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 상기 서보모터에서 전달된 회전구동력을 저속회전 고출력으로 변환하는 감속기와, 상기 감속기의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 상기 감속기에서 변환된 회전구동력을 고속회전 저출력으로 변환하는 증속기와, 상기 증속기의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 전달된 회전구동력을 전기력으로 변환하는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 감속기와 상기 증속기는 다수개의 다단 기어로 구성된 기어구동장치이며, 상기 제어장치는 비례-적분-미분 제어장치로 구성된다.

한편, 상기 구동전원부는 상기 서보모터를 구동하는 축전지와, 상기 발전기에서 생산된 전력의 일부를 공급받아 상기 축전지를 충전하는 충전장치로 구성될 수 있다.

또한, 상기 구동전원부는 상기 서보모터를 초기 구동하는 축전지와, 상기 서보모터가 상기 축전지에 의해 초기 구동된 후 상기 발전기에서 생산된 전력의 일부를 공급받아 상기 서보모터를 직접 구동하는 전력을 출력하는 변환장치로 구성될 수 있는데, 이 경우 상기 발전기에서 생산된 전력의 일부를 공급받아 상기 서보모터를 초기 구동하는 데 사용된 축전지를 충전하는 충전장치와, 상기 축전지가 완충되었을 때 상기 축전지를 상기 서보모터에서 분리하는 차단장치를 더 포함하여 구성하는 것이 좋다.

그리고 상기 구동전원부는 일반 수용가에 공급되는 교류전원을 이용하여 상기 서보모터를 초기 구동하는 시동장치를 더 포함하여 구성되어 상기 서보모터를 초기 구동함에 있어 상기 축전지 또는 상기 시동장치 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있도록 구성할 수도 있다.

본 발명은 정밀하고 균일한 회전 구동속도 제어가 가능한 서보모터를 이용하여 발전시스템을 구축함으로써, 원하는 출력의 전력을 정확하고 일정하게 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 가솔린이나 디젤과 갈은 화석연료를 사용하지 않고 발전시스템을 운용함으로써, 이산화탄소와 같은 배기가스를 전혀 배출하지 않고 소음에 의한 공해도 최소화할 수 있는 다른 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템의 구성도이다.
도 3은 구동전원부의 다른 일 실시예에 따른 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템의 구성도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템의 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템의 일 실시예는 회전구동력을 발생시키는 서보모터(100)와, 상기 서보모터(100)에 전원을 공급하는 구동전원부와, 상기 서보모터(100)가 일정한 회전 구동속도를 가지도록 제어하는 제어장치와, 상기 서보모터(100)에서 발생된 회전구동력을 저속회전 고출력으로 변환하여 출력하는 감속기(200)와, 상기 감속기(200)에서 출력된 회전구동력을 고속회전 저출력으로 변환하여 출력하는 증속기(300)와, 상기 증속기(300)에서 출력된 회전구동력을 전기력으로 변환하는 발전기(400)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 서보모터(Servo motor)는 서보모터(100)에서 실제 출력되는 값과 원하는 목표값과의 오차를 감지하여 피드백 함으로써 상기 서보모터(100)의 작동을 보정하여 최대한 오차를 줄여 나갈 수 있는 가변 구동모터를 말하는데, 상기 서보모터(100)를 이용하면 여러 응용분야에서 고출력으로 제어되는 장치를 이보다 훨씬 작은 출력으로도 제어하는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 서보모터는 크게 구동 전원에 따라 직류(DC) 서보모터와 교류(AC) 서보모터로 나눌 수 있고, 각각은 다시 구조에 따라 영구자석형 서보모터와 유도자석형 서보모터로 나누어진다. 직류 서보모터는 비교적 가격이 저렴하고 기동토크가 크고 효율이 높으며 속도제어범위가 넓은 장점이 있는 반면, 브러시 마찰로 인한 기계적 손실이 크고 그에 따라 브러시의 관리 보수가 필요하며 정류에 한계가 있고 방열이 나쁜 단점이 있다. 교류 서보모터는 브러시가 없으므로 보수가 용이하고 정류에 한계가 없으며 고속 고토오크에 적합하고 방열이 좋은 장점이 있는 반면, 시스템이 복잡하여 가격이 고가이며 출력에 제한이 있는 단점이 있다. 이렇듯 각 유형의 서보모터는 나름대로 장단점을 가지고 있으므로 필요에 따라 적당한 유형의 서보모터를 사용하면 된다.

한편, 상기 서보모터(100)는 상기 제어장치에 의하여 원하는 회전 구동속도를 가지며 동작하도록 제어되는데, 목표값인 원하는 회전 구동속도와 상기 서보모터(100)에 부착된 속도검출기에서 측정된 실제 회전 구동속도를 대조하여 오차에 따라 가속을 할 것인지 감속을 할 것인지 상태를 유지할 것인지 결정하여 실제 회전 구동속도를 보정하도록 한다. 이와 같은 역할을 하는 제어장치는 현재 제어 분야에서 널리 사용되고 있는 비례-적분-미분(Proportional-Integral-Differential, 이하 PID라 칭한다.) 제어장치를 이용하여 구성하는 것이 바람직한데, 상기 PID 제어장치는 제어대상에서 측정한 현재값을 설정값과 일치시키기 위하여 현재값과 설정값의 편차와 현재값 등을 비례동작, 적분동작, 미분동작 등으로 연산 처리하여 적절한 조작값을 제어대상에 출력하는 제어장치를 말하는데, 비교적 구조가 간단하며 제어가 용이하고 응답속도가 빠른 특징이 있다. 비례동작은 설정값과 현재값 사이에 편차가 발생하였을 경우 그 편차에 비례하는 조작값을 출력하여 서서히 편차를 줄여 나가 설정값에 미세하게 근접하도록 조절하는 동작이다. 적분동작은 비례동작에 따라 현재값이 설정값에 미세하게 근접함에 따라 조작값이 너무 미세하여 더 이상 설정값에 근접할 수 없는 경우 미세한 잔류편차를 시간적으로 누적하여 특정값에 도달하면 조작값에 적용하여 편차를 없애는 동작이다. 미분동작은 급격하게 일어나는 외란에 대해 신속하게 반응하여 원래의 설정값으로 돌아가도록 적극적으로 제어하는 동작이다.

상기 감속기(200)는 상기 서보모터(100)의 출력단과 동일 회전축으로 연결되어 있는데, 상기 서보모터(100)에서 출력된 회전 구동력을 1/5 내지 1/500 사이의 일정한 감속비율로 회전 구동속도를 낮추어 저속으로 회전구동하도록 하는 대신 더 큰 힘의 출력으로 변환하게 된다. 이와 같은 상기 감속기(200)의 저속 고출력의 회전 구동력은 상기 감속기(200)에 연결되어 있는 상기 증속기(300)로 전달되는데, 상기 증속기(300)는 상기 발전기(400)를 구동하여 원하는 값의 전력을 생산하기 위하여 요구되는 정확한 회전 구동속도를 출력하기 위하여 상기 감속기(200)에서 전달된 저속 고출력의 회전 구동력을 고속 저출력의 회전 구동력으로 변환하게 된다. 이때, 상기 감속기(200)와 증속기(300)는 다수개의 각종 다단 기어로 구성된 기어구동장치로 구성하도록 하는데, 이는 각 장치에 입력되는 회전 구동력을 원하는 출력으로 정확하게 변환하는데 매우 좋은 특성을 가지기 때문이고 또한 구동에 따른 진동과 소음 발생이 다른 구성 수단에 비하여 매우 적기 때문이다.

상기 발전기(400)는 상기 증속기(300)에서 전달된 회전 구동력을 전자기 유도에 의하여 유도 기전력으로 변환하여 출력하게 되는데, 여기에서 사용되는 발전기는 보통 각종 발전시스템에서 사용되는 발전기와 다를 바 없다.

한편, 상기 서보모터(100)를 구동하는 전력을 공급하기 위해서는 구동전원부가 필요하게 되는데, 가장 기본적인 구동전원으로는 축전지(110)가 사용될 수 있다. 그러나 상기 축전지(110)는 사용하면 할수록 에너지를 소모하여 방전이 되므로 한정된 기간 동안만 상기 서보모터(100)를 구동할 수 있고 방전이 되면 상기 축전지(110)를 교체해 주거나 충전해 주어야하는 번거로움이 있게 된다. 이에 상기 축전지(110)를 연속적으로 사용하기 위하여 충전장치(120)를 부설하여 상기 축전지(110)의 에너지가 소모되는 만큼 즉시 충전하여 항상 상기 서보모터(100)를 구동할 수 있도록 구성하는 것이 좋은데, 상기 충전장치(120)를 상기 발전기(400)에서 출력되는 전력의 일부를 공급받도록 구성하면 별도의 충전전원을 마련하지 않아도 상기 축전지(110)에 의해 상기 서보모터(100)가 구동하여 전력을 생산하고, 생산된 전력의 일부로 상기 축전지(110)를 다시 충전하는 회귀적인 동작을 하게 된다. 또한, 상기 축전지(110)가 완전히 방전되어 있거나 상기 서보모터(100)를 초기 구동시키기에 충분한 전력이 충전되어 있지 않은 경우 등을 대비하여 한전 등에서 가정이나 공장 등 일반 수용가에 공급하는 교류 전원을 이용하여 상기 서보모터(100)를 초기 구동하는 시동장치(150)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 구동전원부의 다른 일 실시예로는 도 3에 도시된 것과 같이 상기 발전기(400)에서 생산된 전력의 일부를 일정한 값으로 변환하는 변환장치(130)를 부가하여 변환된 전력을 직접 상기 서보모터(100)를 구동하는 전원으로 사용하는 방법이 있다. 그러나 이 경우에는 상기 서보모터(100)를 초기에 구동하는 전력이 존재하지 않으므로 시동 전원이 별도로 필요하게 된다. 따라서 상기 축전지(110)를 시동 전원으로 이용하여 초기 구동시에 전력을 공급하게 하고 변환장치(130)에서 안정적인 구동 전력이 공급되는 경우 차단장치(140)를 이용하여 상기 축전지(110)를 상기 서보모터(100)로부터 분리하도록 구성한다. 또한, 상기 축전지(110)가 사용되지 않고 있는 동안에는 생산된 전력의 일부를 이용하여 상기 충전장치(120)를 통하여 충전되도록 하면 항상 완충상태를 유지하게 되며 상기 축전지(110)는 초기 구동시에 짧은 시간 동안만 사용하게 되므로 충전량도 많지 않아 시스템에 거의 영향을 미치지 않게 된다. 본 실시예에서도 앞서 언급한 것과 마찬가지로 상기 축전기(110)가 완전히 방전되었거나 상기 서보모터(100)를 초기 구동시키기에 충분한 전력이 충전되어 있지 않은 경우나 사용자의 임의의 선택에 의해서 일반 수용가의 교류 전원을 이용하여 상기 서보모터(100)를 구동할 수 있도록 시동장치(150)을 더 구비하는 것이 좋다.

상기에서 서술한 바와 같이 발전시스템을 구성하게 되면 적은 양의 전력으로 상기 서보모터(100)를 구동하여 상기 감속기(200)와 증속기(300)를 거쳐 상기 발전기(400)에서 상기 서보모터(100)를 구동한 전력의 2배 이상의 전력을 생산하여 효율적일 뿐만 아니라 소음이 적고 친환경적인 발전시스템이 구축되게 된다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 - 서보모터 110 - 축전지
120 - 충전장치 130 - 변환장치
140 - 차단장치 150 - 시동장치
200 - 감속기 300 - 증속기
400 - 발전기

Claims

구동전원부에 의하여 회전 구동하는 서보모터와, 상기 서보모터의 실제 회전구동속도와 목표 회전구동속도를 비교하여 상기 서보모터의 회전구동속도를 보정하는 제어장치와, 상기 서보모터의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 상기 서보모터에서 전달된 회전구동력을 저속회전 고출력으로 변환하는 감속기와, 상기 감속기의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 상기 감속기에서 변환된 회전구동력을 고속회전 저출력으로 변환하는 증속기와, 상기 증속기의 출력단과 동일 회전축으로 입력단이 연결되어 전달된 회전구동력을 전기력으로 변환하는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 구동전원부는 상기 서보모터를 구동하는 축전지와, 상기 발전기에서 생산된 전력의 일부를 공급받아 상기 축전지를 충전하는 충전장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제2항에 있어서,
상기 구동전원부는 일반 수용가에 공급되는 교류 전원을 이용하여 상기 서보모터를 초기 구동하는 시동장치를 더 포함하여 구성되어 상기 서보모터를 초기 구동함에 있어 상기 축전지 또는 상기 시동장치 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 구동전원부는 상기 서보모터를 초기 구동하는 축전지와, 상기 서보모터가 상기 축전지에 의해 초기 구동된 후 상기 발전기에서 생산된 전력의 일부를 공급받아 상기 서보모터를 직접 구동하는 전력을 출력하는 변환장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제4항에 있어서,
상기 구동전원부는 상기 발전기에서 생산된 전력의 일부를 공급받아 상기 서보모터를 초기 구동하는 데 사용된 축전지를 충전하는 충전장치와, 상기 축전지가 완충되었을 때 상기 축전지를 상기 서보모터에서 분리하는 차단장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제5항에 있어서,
상기 구동전원부는 일반 수용가에 공급되는 교류 전원을 이용하여 상기 서보모터를 초기 구동하는 시동장치를 더 포함하여 구성되어 상기 서보모터를 초기 구동함에 있어 상기 축전지 또는 상기 시동장치 중에서 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감속기와 상기 증속기는 다수개의 다단 기어로 구성된 기어구동장치인 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.
제7항에 있어서,
상기 제어장치는 비례-적분-미분 제어장치를 이용하여 상기 서보모터의 회전구동속도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 서보모터를 이용한 저소음 발전시스템.