KR101143064B1

KR101143064B1 - 펌핑 시스템 및 펌핑 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR101143064B1
Application number: KR1020067015665A
Authority: KR
Inventors: 로렌트 마크 필립페; 안소니 존 와일더
Original assignee: 에드워즈 리미티드
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2012-05-11
Also published as: TWI408280B; ATE412117T1; JP2007525613A; US7999502B2; US20080038118A1; WO2005075827A1; DE602005010553D1; EP1718868B1; EP1718868A1; CN1914420A; GB0402330D0; TW200532112A; JP5114059B2; CN100439707C; KR20060130163A

Abstract

본 발명은 펌핑 시스템(pumping system)(60)을 제공하는데, 이러한 펌핑 시스템은 펌핑 메커니즘(64)과, 펌핑 메커니즘을 구동하는 모터(51)와, 모터를 제어하는 구동 제어기(50)와, 시스템 내에서 적어도 하나의 상태를 모니터링하는 수단(52)을 포함하고, 구동 제어기는 시스템의 성능을 향상하기 위해서, 일시적 기간(transient periods) 동안에 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 되는 과부하 조건(overload condition)에서 상기 시스템이 작동하게 하고, 상기 과부하 조건에서 작동될 때, 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터의 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지한다.

Description

펌핑 시스템 및 펌핑 시스템의 제어 방법{A PUMPING SYSTEM}

본 발명은 펌핑 시스템(pumping systems) 또는 펌프에 관한 것으로, 이러한 펌핑 시스템은 펌핑 메커니즘과, 펌핑 메커니즘을 구동하는 모터와, 모터를 제어하는 구동 제어기를 포함한다.

펌핑 시스템, 특히 진공 펌핑 메커니즘을 포함하는 시스템은, 반도체 공정 시스템에서 널리 사용된다. 전형적인 펌핑 시스템(60)이 도 7에 도시되어 있다. 반도체 웨이퍼의 처리 공정은 진공 챔버 또는 공정 챔버(processing chamber)(62) 내에서 이루어진다. 이러한 공정 중에 공정 챔버 내에서 공정 가스의 압력은 진공 펌프, 또는 펌핑 메커니즘(64)에 의해 비교적 낮은 공정 압력으로 유지된다. 압력은 전형적으로 연장된 기간 동안 공정 압력으로 유지되고, 예를 들면 장비의 수리 및 관리를 위해 주기적으로 대기압으로 되돌아 올 수 있다. 가공되지 않은 웨이퍼는 공정 챔버 내에 주입되고, 가공된 웨이퍼는 로드락 챔버(load lock chamber)를 통해 공정 챔버로부터 배출된다. 로드락 챔버 내의 압력은 진공 펌프에 의해 제어되어, 로드락 챔버가 대기압 상태일 때 웨이퍼는 반도체 공정 시스템 내부 또는 외 부로 이동될 수 있고, 로드락 챔버가 공정 압력으로 감압될 때 로드락 챔버와 공정 챔버(들) 사이에서 웨이퍼가 이동될 수 있게 된다. 반도체 공정 시스템과 연결된 챔버를 위한 진공 펌프를 선택할 때, 펌프의 전력 요구 사항이 충족되어야 한다. 가변 속도 구동기를 포함하는 구동 제어기(50)는 펌프의 모터(51)를 제어하기 위한 적절한 전력 요구 사항에 맞춰 선택된다. 전형적으로, 구동기 및 펌프에 대한 전력 요구 사항은 동일할 것이다.

그러므로 진공 펌프는 (a) 챔버 내의 압력을 공정 압력까지 감소시키고, (b) 챔버 내에서 공정 압력을 유지할 수 있도록 요구된다. 진공 펌프가 챔버 내에서 공정 압력을 유지할 때, 이 펌프는 대기압이 펌프의 다운스트림으로부터 챔버 내로 흐르는 것을 방지한다. 이것은 최저 도달 조건에서의 작동(operating at ultimate)으로 지칭된다. 최저 도달 조건에서의 작동은 펌프의 전력 요건을 비교적 덜 요구한다. 대기압으로부터 공정 압력까지 챔버를 감압하기 위한 펌프의 동작(펌프-다운)은 비교적 더 많은 전력을 요구한다.

일반적으로 이것은 펌프-다운만이 실행되더라도, 예를 들면, 2-3%의 진공 펌프의 활동 수명으로 펌프-다운의 요건을 충족하도록 진공 펌프 및 구동기의 전력 용량을 선택하는 절차이다. 오로지 작은 비율의 동작에서만 증가된 전력이 필요하다고 할지라도, 펌프의 구동기의 비용 및 크기는 전력 요건이 증가함에 따라 증가된다.

도 1을 참조하면, 모터(51)에 공급된 전력을 제어하기 위한 가변 속도 구동기(50)를 포함하는 종래 기술의 구동 제어기가 도시되어 있다. 구동기(50)는 모터 의 모터 열적 부하(motor thermal load : MTL)를 모니터링하는 제 1 모듈(52)을 포함한다. 종래 기술에서 알려진 바와 같이, 모터 전류(I_motor)는 제 1 모듈에 입력되고, 제 1 모듈은 모터 열적 부하를 측정한다. I_rated는 모터가 과열 현상없이 무한하게 작동할 수 있다고 지정된 정격 전류이다. 제 1 모듈은 (I_motor/I_rated)²값을 계산하고, 1차 로우-패스 필터(low-pass filter)(52)(시간 상수 τ 및 라플라스 연산자 s를 가지고)를 이용하여 모터 열적 부하를 계산한다. 모터는 온도가 입력 전류의 제곱의 함수가 되는 1차 시스템을 이용하여 열적으로 모델링될 수 있다.

모듈(52) 내에 표시된 1차 로우 패스 필터는 디지털이지만, 이와 다르게 모터 온도는 아날로그 수단에 의해 모델링될 수 있다. 보다 우수한 정확도를 위해서 더 고차수의 필터를 이용할 수 있다.

제 2 모듈(54)은 모터로 향하는 전기 전력을 나타내는 화살표에 의해 표시된 바와 같이 모터(51)에 전기 전력을 전달하는 전류 제어 모듈(56)을 포함한다. 전력은 모터로 공급된 전류를 제어하는 것에 의해 제어되고, 이 전류는 모터 내의 전압의 주파수 및/또는 진폭을 조정하는 것에 의해 제어된다. 프로그래밍 가능 내부 구동 전류 제한부(58)는 모터에 전달되는 전력을 제한하기 위해 제어 모듈(56)에 구동 전류 한도를 출력한다. 비교기(57)는 모터 열적 부하(MTL)와 사전 설정된 트립값(trip value) 저장부(60) 내에 저장된 사전 결정된 모터 열적 부하를 비교한다. 결정된 모터 열적 부하가 사전 설정된 트립값을 초과하면, 제어 모듈(56)에 트립 커맨드(trip command)를 전달하여 모터에 대한 전력 공급을 차단시킨다. 트 리핑(tripping)은 갑자기 즉각적으로 모터 전력을 제로로 감소시키는 것을 포함하고, 그의 목적은 모터가 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.

일반적으로, 모터 및 구동기는 무한정 그 정격 전력의 100%로 작동할 수 있다. 그러나 이들은 짧은 기간의 시간이 한정된 주기동안 정격 전력의 200%(또는 그 이상)로 과부하가 걸릴 수 있다.

도 2는 가변 속도 구동기(50)의 시간에 대한 전류(I_motor)의 그래프를 도시한다. 파선(62)은 모터 열적 부하가 사전 설정된 값을 초과할 때를 나타내고, 그에 따라 트리핑이 발생될 때를 나타낸다. 파선은 전류와 모터 열적 부하 사이의 관계에 따라서 도시된다. 모터의 정격 전력은 모터가 과열(overheating)을 발생시키지 않고 그에 따라 트리핑이 발생되지 않으면서 무한하게 작동할 수 있는 전력이다. 정격 전력, 정격 전압 및 정격 주파수에서 작동하는 모터는 도 1을 참조하여 상기 설명에서 인용된 정격 전류(I_rated)를 도출한다.

도 2는 정격 전류(I_rated)를 (100%)로서 나타내고, 이 정격 전류는 모터를 과열하지 않으면서 무한하게 지속될 수 있는 전류이다. 도 2로부터 확인되듯이, 구동 제어기(50)가 200%의 전류에서 과부하 조건으로 작동하면, 시간(t_trip(200%))에서 모터의 트리핑이 발생하고, X%의 전류에서 과부하 조건으로 작동하면 시간(t_trip(X%))에서 모터의 트리핑이 발생된다. 그러므로 트리핑이 발생하는 시간은 과부하 전류의 양(즉, 전류가 정격 전류를 초과하는 정도)에 의존한다는 것을 이해 할 것이다.

그러므로 모터를 과부하 조건에서 작동시켜서 반도체 공정 시스템 내에서 진공 펌프의 펌프-다운 시간을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이것은 과부하가 너무 오래 지속되거나 과부하가 너무 높다면 구동기가 트리핑을 실행할 수 있다는 단점이 존재한다. 모터가 정지하면, 반도체 공정 웨이퍼가 손상될 수 있기 때문에 이것은 불리하다.

본 발명은 트리핑의 발생 가능성 없이 일시적 기간 동안에 과부하 조건으로 시스템을 신중하게 작동시키는 것에 의해 펌핑 시스템 성능을 개선하는 방법을 모색한다.

제 1 측면에서, 본 발명은 펌핑 시스템(pumping system)을 제공하고, 이 펌핑 시스템은 펌핑 메커니즘과, 상기 펌핑 메커니즘을 구동하는 모터와, 상기 모터를 제어하는 구동 제어기와, 상기 시스템 내에서 적어도 하나의 상태를 모니터링하는 수단을 포함하고, 상기 구동 제어기는 상기 시스템의 성능을 향상하기 위해서, 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 되는 일시적 기간(transient periods) 동안에 과부하 조건(overload condition)에서 상기 시스템이 작동하게 하고, 상기 과부하 조건에서 작동될 때, 상기 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터의 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지한다. 펌핑 메커니즘은 진공 펌핑 메커니즘일 수 있다.

성능은 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 하는 레벨까지 상기 모터에 공급되는 상기 전력을 증가시키는 상기 구동 제어기에 의해 향상되는 것이 바람직하다. 구동 제어기는 모터에 가해진 부하가 모터에 증가된 공급 전력을 요구할 때 상기 시스템이 과부하 조건에서 작동하게 하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 구동 제어기는 상기 상태가 사전 결정된 하한(lower limit)을 초과하지 않는 한 상기 전력을 제한하지 않는다. 상기 사전 결정된 하한을 초과하면, 상기 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태에 따라서 전력을 점차 감소 또는 증가시킬 수 있다.

구동 제어기는 이득 회로를 포함하는 것이 바람직한데, 이러한 이득 회로는, 1의 이득을 획득하면 모터 전력을 제한하지 않고, 0의 이득을 획득하면 모터 전력을 제로로 제한하고, 1과 0사이의 임의의 이득을 획득하면 상기 이득 회로는 상기 상태와의 사전 결정된 관계에 따라서 상기 이득을 제어할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 구동 제어기는 상기 모터에 공급된 전압의 주파수 및/또는 진폭을 조정함으로써 상기 모터에 공급되는 전류를 제한하여 상기 모터의 전력을 제어한다. 상기 구동 제어기는 상기 모터 내의 최대 허용 가능 전류를 설정하여 상기 시스템이 과부하 상태가 될 수 있는 한도를 설정하는 프로그래밍 가능 수단을 포함할 수 있다.

상기 상태는 시스템 내의 온도일 수 있다. 상기 상태는 모터, 구동기 또는 상기 펌핑 메커니즘의 임의의 부품에 대한 열적 부하(thermal load)의 계산값일 수 있다. 이러한 경우에, 구동 제어기는 다음 식에 따라서 상기 모터의 열적 부하를 계산할 수 있고,

여기에서 I_motor는 모터 내의 전류이고, I_rated는 해당 전류를 초과하면 상기 모터가 상기 과부하 조건에서 작동한다고 지정된 정격 전류이고, τ는 시간 상수이고, s는 라플라스 연산자이다.

이와 다르게, 상기 시스템 내의 상기 모니터링된 상태는 압력, 전류, 전압, 임피던스 또는 온도 중 어느 하나일 수 있다. 구동 제어기는 시스템 내에서 하나 이상의 상기 상태를 모니터링하는 하나 이상의 센서로부터 입력을 수신하는 수단을 포함할 수 있고, 상기 구동 제어기가 상기 시스템을 일시적 기간 동안에 과부하 조건으로 작동하게 할 때, 상기 모터에 대한 전력은 상기 하나 이상의 상태가 상기 사전 결정된 작동 한계를 초과하지 않도록 제어된다. 예를 들면, 하나 이상의 센서는 시스템 내의 가스 압력, 온도, 전압, 또는 임피던스 중 하나 이상을 감지하기 위한 것일 수 있다.

구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터에 대한 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 가변 속도 구동기를 포함할 수 있다.

구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터에 대한 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 아날로그 수단을 포함할 수 있다.

구동 제어기는 상기 시스템이 과부하 조건에서 작동하는 것을 방지하도록 작동 가능할 것이다.

제 2 측면에서, 본 발명은 펌핑 메커니즘과, 상기 펌핑 메커니즘을 구동하는 모터와, 상기 모터에 대한 전력을 제어하는 구동 제어기를 포함하는 펌핑 시스템을 제어하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 되는 일시적 기간 동안 과부하 조건에서 상기 시스템이 작동하게 하여 상기 시스템의 성능을 향상하는 단계와, 상기 과부하 조건에서 작동할 때, 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터에 대한 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 단계를 포함한다.

본 발명의 시스템 측면과 관련하여 상술된 특징은 방법 측면에 대해서도 동등하게 적용 가능하고, 그 반대도 마찬가지이다.

본 발명을 보다 쉽게 이해할 수 있도록, 오로지 예로서 제시된 본 발명의 2개의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 이하에 설명할 것이다.

도 1은 펌핑 시스템 내에서 구동 제어기의 알려진 배치를 도시하는 도면,

도 2는 공지된 구동 제어기에 있어서 전류를 시간에 대해 나타내는 그래프,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 구동 제어기를 도시하는 도면,

도 3a는 모터 전류 및 모터 열적 부하와 관련하여 도시된 이득 함수를 도시하는 그래프,

도 4는 제 1 실시예에 있어서 전류를 시간에 대해 나타내는 그래프,

도 5는 종래의 시스템과 본 발명의 실시예에 따른 장치의 모터 성능을 비교하기 위해서 모터의 속도에 대한 토크(torque)를 도시하는 그래프,

도 6은 본 발명의 제 2 실시예를 도시하는 도면,

도 7은 펌핑 시스템을 도시하는 개략도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라서 가변 속도 구동기(8)의 형태를 갖는 구동 제어기를 도시한다. 제 1 및 제 2 모듈(10, 12)은 도 1에 도시된 제 1 및 제 2 모듈(52, 54)과 동일하다. 제 1 모듈(10)은 I_motor, I_rated, τ 및 s 사이의 상술된 관계를 이용하여 모터 열적 부하(MTL)를 모니터링한다. 모터 열적 부하는 이득 회로 유닛(14)에 입력된다. 유닛(14)은 모터 열적 부하와의 사전 결정된 관계에 따라서 이득을 계산하고, 승산기(32)에 이득을 출력하는데, 이 승산기는 또한 프로그래밍 가능 내부 구동 전류 제한 유닛(20)으로부터 입력을 수신한다. 승산기(32)는 전류 제어 모듈(16)에 조정된 전류 한도를 출력한다. 승산기(32)로부터의 전류 한도 출력은 모터(30)의 전력을 제한한다.

이득 회로 유닛(14)은 모터 열적 부하(MTL)와의 사전 결정된 관계에 따라서 승산기(32)에 대한 이득 출력을 결정한다. 이러한 관계는 알고리즘으로 구현되고, 그 일례는 도 3a(이하에 상세하게 설명됨)에 도시되어 있다.

도 4는 구동기(8)에 있어서 시간에 대한 전류를 나타내는 그래프이다. 도 4 내의 파선(62)은 모터 열적 부하가 사전 결정된 작동 한계를 초과하고, 그에 따라 모터의 손상을 방지하기 위해 종래 기술에 따른 트리핑(도 2에 도시되어 있음)이 실행되는 시기를 나타낸다. 실선(40)은 본 실시예에 따른 모터의 동작의 한계를 나타낸다. 실선(40)은 안전 한계(safety margin)를 제공하기 위해 파선(62)으로부터 떨어져 있다.

구동 제어기(8) 내의 이득 회로 유닛(14)은 전류를 감소시키는 것에 의해 모터에 공급되는 전력을 제한한다. 이득 회로는 모터 전력을 제한하지 않는 1의 이득, 모터에 전력이 전달되지 않게 하는 0의 이득 및 '제한 없음'과 '전력 공급 없음' 사이에서 모터에 공급되는 전력을 조정하는 1과 0사이의 이득을 이용할 수 있다. 따라서, 모터에 공급된 전류는 모터 열적 부하가 사전 결정된 작동 한계를 초과하지 않도록(즉 파선(62)을 초과하지 않도록) 제어된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 모터 열적 부하가 사전 결정된 하한 미만일 때 유닛(14)의 이득은 1이다. 모터에 공급된 전력은 이득이 1일 때 제한되지 않는다. 도 4 내에서 파선(62)과 실선(40) 사이의 안전 한계는 선택된 하한에 의해 결정된다. 유닛(14)은 모터 열적 부하가 도 3a에 도시된 모터 열적 부하와 이득 사이의 관계에 따라서 하한 위로 증가함에 따라 이득을 점차적으로 감소시킨다. 도시된 예에서, 안정화 포인트(I_motor=I_rated일 때)는 이득이 0.5일 때 도달된다. 모터는 모터 열적 부하가 안정화 포인트 위에 있을 때에는 과부하 조건에서 작동하도록 허용 되지 않는다. 이득은 모터 열적 부하가 사전 결정된 상한(upper limit)에 도달할 때 점차적으로 제로로 감소한다. 따라서, 구동 제어기(8)는 (모터 열적 부하가 안정화 포인트 미만일 때) 모터를 일시적 기간 동안 과부하 조건에서 작동시킬 수 있고, 다음에 모터의 트리핑을 유발하지 않으면서 지속 가능한 값까지 모터 전력을 감소시킬 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, (예를 들면 반도체 시스템 내의 펌프-다운 시에) 예를 들어, 펌프 상의 부하가 비교적 높다면, 구동기(8)는 200%의 모터 정격 전류에서 전류가 시간(t_overload _(200%))에 걸쳐 모터에 전달되게 하여, 증가된 전력 및 향상된 시스템 성능의 이점을 획득한다. 시간(t_overload _(200%))에서, 이득 회로 유닛(14)은 모터 열적 부하가 사전 결정된 하한을 초과했다는 것을 검출하고, 모터 열적 부하와 이득 사이의 사전 결정된 관계에 따라서 승산기(32)에 대한 이득 출력을 '1'미만으로 점차적으로 감소시킨다. 따라서, 제어 모듈(16)은 모터(30) 내의 전력을 제한하고, 그에 따라 정격 포인트에서 모터 열적 부하 및 모터 전력을 안정화한다. 시스템 부하가 감소하고 모터 열적 부하가 증가할 때, 이득 회로 유닛(14)은 이득을 (가능하다면 '1'까지) 증가시켜서, 필요한 경우에 모터(30)에 더 큰 전력이 다시 전달될 수 있게 한다.

마찬가지로, 이득 회로 유닛(14)이 모터 열적 부하가 사전 결정된 한계를 초과하는 것을 검출하고, 이득이 감소되기 전에 더 긴 시간(t_overload _(X%)) 동안 X%(100%와 200% 사이)의 과부하 전류가 공급될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예의 이점을 나타내기 위해 모터 속도(RPM)에 대해 토크(Nm)를 도시하는 그래프이다. 회전 속도에 대한 모터 토크의 커브가 도시되고, 최대 과부하 토크(Tmax)가 표시되어 있다. 모터가 손상없이 무한하게 작동할 수 있는 모터 정격 토크는 Tmax보다 상당히 작다는 것을 확인할 수 있다. 도 1에 도시된 종래 기술의 구동 제어기는 구동기 정격 토크 이하의 영역 내에서 모터가 작동하도록 한정하고, 그렇지 않은 경우에는 모터가 트리핑될 위험성이 존재한다. 그러나, 구동기(8)는 예컨대 200% 토크를 나타내는 라인 아래의 영역 내에서 모터가 작동할 수 있게 하고, 그에 따라 손상 또는 시스템 트리핑의 위험성 없이 증가된 토크 및 전력의 이점을 획득하게 함으로써 시스템 성능을 향상한다. 구동기(8)는 예를 들면, 진공 펌프의 펌프-다운 동안에 모터에 대한 부하에 의해 모터에 대한 전력 공급의 증가가 요구될 때, 모터가 과부하 상태로 작동하도록 유발하거나 또는 의도적으로 강제한다.

이득 회로 유닛(14)은 모터에 전달될 수 있는 전력의 양을 조절하는 것으로 도시되어 있으나, 모터, 구동기 및/또는 펌프에 대한 특정한 요구 사항에 따라서 임의의 적합한 수단을 이용할 수 있다.

실시예에서, 모터 열적 부하는 적절한 이득 출력을 선택하기 위해 이용될 수 있다. 따라서, 실시예는 모터 과열 및 모터 트리핑없이 모터가 과부하 조건에서 작동할 수 있게 한다. 그러나, 모터 열적 부하에 추가하거나 대체하여, 본 발명은 구동기, 모터 또는 펌프의 다른 상태(전압, 전류, 전력, 주파수 또는 임피던스 등)가 그 각각의 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 펌핑 시스템의 동작을 고려한 다. 특히, 가변 속도 구동기 자체는 과부하(전형적으로 정격 전력의 200%를 초과함)로 작동될 수 있고, 상기 내용에서 설명된 모터 열적 부하(MTL)와 동일한 방식으로 구동기 열적 부하(Drive Thermal Load : DTL)를 결정함으로써 보호될 수 있다.

제 1 실시예는 측정된 모터 전류를 이용하여 모터 열적 부하 및 그에 따른 모터 온도를 결정함으로써 소위 '간접' 구성을 이용한다. 그러나, 이와 다르게 구동 제어기는 모터 권선(winding) 온도, 펌프 본체 온도, 배기 압력, 가스 온도, 배출구(foreline) 압력 등을 직접 측정하는 것 등과 같이, 펌프 시스템 내에 내장된 센서로부터의 피드백을 이용하여 '직접' 구성으로 작동할 수 있다.

도 6은 이러한 직접 구성이 이용된 제 2 실시예를 도시한다. 이러한 구성은 펌핑 시스템의 내부 상태를 결정하고, 모터 전력을 제어하여 해당 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하는 것을 방지한다. 예를 들면, 펌핑 메커니즘의 온도는 펌프 내에 위치된 센서에 의해 모니터링되고, 그에 따라 이러한 메커니즘에서 과열 현상이 발생하는 것이 방지된다. 감지된 상태를 이용하여 전류 한도를 조정하고, 그에 따라 모터 전력을 제한함으로써, 펌핑 메커니즘에서 과열 현상을 방지한다.

도 6은 펌프, 특히 진공 펌프의 펌핑 메커니즘을 구동하기 위해 모터(30)에 전기 전력을 제공하는 가변 속도 구동기(28) 형태의 구동 제어기를 도시한다. 구동기(28)는 펌핑 시스템 내의 하나 이상의 각각의 센서(24)로부터 센서 정보를 결정하기 위해 하나 이상의 조절기(conditioners)(26)를 구비한다는 점을 제외하고는 구동기(8)와 동일하다. 센서(24)로부터의 데이터는 각각의 조절기(26)를 통해 제 공되고, 각각의 조절기는 이러한 데이터를 구동기(28)가 인식 가능한 정보로 변환한다. 센서(24)는 펌프 내의 내부 상태(펌프 본체 온도, 배기 압력 또는 모터 권선 온도 등)를 모니터링한다. 조절된 센서 정보는 이득 회로, 또는 다른 적절한 조정 수단으로 입력되고, 여기에서 이득을 결정하여 모터(30)의 전력을 제한한다.

다수의 센서 입력을 통합하는 구성에서, 표시자는 사용자에게 경고를 제공하여 어떤 센서가 전력 출력을 제어하게 하였는지 나타낼 수 있다. 이러한 정보는 종래 기술에서 시스템 트리핑을 초래할 수 있었던 문제의 발생에 대한 사전 경고를 제공하는 데 이용될 수 있다.

상술된 실시예는 예를 들면, 펌프-다운 등의 일시적 기간 동안에 과부하 조건에서 작동을 유발하는 구동 제어기 및 모터를 선택할 수 있게 하고, 그에 따라 종래 기술의 모터/구동기 어셈블리의 경우 비해서 덜 값비싼 모터/구동기 어셈블리가 특정한 펌핑 조건을 위해 선택될 수 있게 한다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같은 증가된 토크는 더 높은 시동 토크(starting toque)를 허용하고, 더 우수한 오염물 분쇄 기능(dirt crunching capability)을 제공한다. 선택된 산업 상 입수 가능한 진공 펌프에 대한 제 1 실시예와 종래 기술의 모터/구동기의 비교 결과는 아래의 표 1에 포함되어 있다.

상기 예에서, 큰 성능 향상이 실현되었다는 것을 확인할 수 있다.

상술된 실시예에서, 구동 제어기는 디지털 가변 속도 구동기의 형태를 취한다. 그러나, 구동 제어기는 시스템 내의 상태를 결정하고, 모터 전력을 제어하기 위해서 아날로그 회로 등과 같은 하나 이상의 아날로그 수단을 포함할 수 있다.

구동 제어기는 상기 시스템이 과부하 조건에서 작동하는 것을 방지하도록 작동 가능한 것이 바람직할 것이다. 그러므로 본 발명에 따른 동작과 상기 종래 기술을 참조하여 설명된 동작 사이에서 구동 제어기를 스위칭하기 위한 스위칭 수단이 제공될 수 있다. 특정한 적용 분야에서 시스템이 과부하 조건에서 작동하는 것이 바람직하지 않다면 이러한 구성이 유용하다.

요약하면, 상술되어 있는 모든 실시예 및 변형예에서, 시스템 상태가 작동 한계를 초과할 때(즉, 트리핑) 모터에 대한 전력을 제로로 차단하는 것 대신에, 구동 제어기는 유지 가능한 작동에 도달할 때까지 전력이 점차적으로 감소하도록 전력을 제어하는 것을 고려할 수 있다. 따라서, 실시예는 펌프에 트리핑을 유발하지 않고, 차단 동작을 유발하지 않으면서 모터 또는 펌프 시스템(모터 또는 가변 속도 구동기 또는 펌프 메커니즘)이 (예를 들면 펌프-다운 동안에) 과잉 용량(overcapacity)으로 작동될 수 있게 한다.

상술된 실시예는 오로지 예시적인 것이고, 첨부된 청구항의 범주 내에서 다른 변형예가 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims

펌핑 시스템(pumping system)으로서,

펌핑 메커니즘과,

상기 펌핑 메커니즘을 구동하는 모터와,

상기 모터를 제어하는 구동 제어기와,

상기 시스템 내에서 적어도 하나의 상태를 모니터링하는 수단을 포함하고,

상기 구동 제어기는 상기 시스템의 성능을 향상시키기 위해서, 상기 시스템이 일시적 기간(transient periods)동안 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 할 수 있는 과부하 조건(overload condition)에서 작동하게 하고,

상기 과부하 조건에서 작동될 때, 상기 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터의 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는

펌핑 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 성능은 상기 구동 제어기가 상기 모터에 공급되는 상기 전력을 상기 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 될 수 있는 레벨까지 증가시키는 것에 의해 향상되는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는, 상기 모터의 부하가 상기 모터에 증가된 공급 전력을 요구할 때, 상기 시스템이 과부하 조건에서 작동하게 하는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 상태가 사전 결정된 하한(lower limit)을 초과하지 않는 한 상기 전력을 제한하지 않는

펌핑 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 사전 결정된 하한을 초과하면, 상기 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태에 따라서 전력을 점차적으로 감소 또는 증가시키는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 이득 회로를 포함하고,

상기 이득 회로는 모터 전력을 제한하지 않는 1의 이득과, 모터 전력을 제로로 제한하는 0의 이득과, 1과 0사이의 임의의 이득을 채택할 수 있으며, 상기 이득 회로는 상기 상태와의 사전 결정된 관계에 따라서 상기 이득을 제어할 수 있는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 모터에 공급된 전압의 주파수 또는 진폭 또는 이들 주파수 및 진폭 모두를 조정함으로써 상기 모터에 공급되는 전류를 제한하여 상기 모터의 전력을 제어하는

펌핑 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 모터 내의 최대 허용 가능 전류를 설정하여 상기 시스템이 과부하로 될 수 있는 한도를 설정하는 프로그래밍 가능 수단을 포함하는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 상태는 상기 시스템 내의 온도인

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 상태는 상기 모터, 상기 구동 제어기 또는 상기 펌핑 메커니즘의 임의의 부품에 대한 열적 부하(thermal load)의 계산값인

펌핑 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 수식

에 따라서 상기 모터의 열적 부하를 계산하되,

I_motor는 상기 모터 내의 전류이고,

I_rated는 정격 전류로서, 이 전류를 초과하면 상기 모터가 상기 과부하 조건에서 작동하며,

τ는 시간 상수이고,

s는 라플라스 연산자인

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 시스템 내의 상기 모니터링된 상태는 압력, 전류, 전압, 임피던스 또는 온도 중 하나 이상인

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 시스템 내에서 하나 이상의 상기 상태를 모니터링하는 하나 이상의 센서로부터 입력을 수신하는 수단을 포함하고,

상기 구동 제어기가 상기 시스템을 일시적 기간 동안에 과부하 조건에서 작동하게 할 때, 상기 모터에 대한 전력은 상기 하나 이상의 상태가 상기 사전 결정된 작동 한계를 초과하지 않도록 제어되는

펌핑 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 하나 이상의 센서는 상기 시스템 내의 가스 압력, 온도, 전압, 또는 임피던스 중 하나 이상을 감지하는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터에 대한 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 가변 속도 구동기를 포함하는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터에 대한 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 아날로그 수단을 포함하는

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 구동 제어기는 상기 시스템이 과부하 조건에서 작동하는 것을 방지하도록 작동 가능한

펌핑 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 펌핑 메커니즘은 진공 펌핑 메커니즘인

펌핑 시스템.
펌핑 메커니즘과, 상기 펌핑 메커니즘을 구동하는 모터와, 상기 모터에 대한 전력을 제어하는 구동 제어기를 포함하는 펌핑 시스템을 제어하는 방법으로서,

상기 시스템이 일시적 기간 동안에 모니터링된 상태가 사전 결정된 작동 한계를 초과하게 할 수 있는 과부하 조건에서 작동하게 하여 상기 시스템의 성능을 향상시키는 단계와,

상기 과부하 조건에서 작동할 때, 상기 모니터링된 상태의 레벨에 따라서 상기 모터에 대한 전력을 제어하여 상기 상태가 상기 작동 한계를 초과하는 것을 방지하는 단계를 포함하는

펌핑 시스템의 제어 방법.