KR101314549B1 - 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법 - Google Patents

하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 하이브리드형 밸브 액추에이터는, AC전원공급장치 및 DC전원공급장치를 구비하고, AC전원의 정전여부를 감지하는 정전검출모듈로부터 AC전원의 정전이 감지되면 상기 DC전원공급장치를 통해 전원을 공급하고 정전이 감지되지 않으면 상기 AC전원공급장치를 통해 전원을 공급하되 충전모듈을 통해 상기 DC전원공급장치로 충전시키는 전원제어장치를 포함하는 전원공급부;와 전류센서와 엔코더(encoder) 및 브레이크장치가 구비된 AC유도전동기와, 인터페이스모듈과 상기 전류센서 및 엔코더로부터 입력된 정보를 이용하여 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 모터제어모듈이 구비된 모터제어장치를 포함하는 액추에이터부; 회동가능하게 체결되고 단부에는 유로를 개폐하는 디스크가 구비된 구동로드를 포함하는 밸브부; 및 상기 액추에이터부 및 밸브부 간에 체결되어 상기 AC유도전동기의 회전력을 상기 밸브부로 전달시키며, 상기 전원공급부로부터 전원이 공급이 되지 않는 경우에는 강제로 상기 밸브부의 유로를 개폐시키는 강제개폐장치가 구비된 동력전달부;를 포함하여 이루어지고, 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법은, (a) AC전원의 정전여부를 검출하여, 정전이면 DC전원을 공급하고, 정전이 아니면 AC전원을 공급하되 AC전원을 이용하여 DC전원을 충전시키는 단계;와 (b) 상기 (a)단계에서 공급된 전원으로 AC유도전동기를 구동시켜 밸브의 개도를 조절하되, 상기 AC유도전동기의 전류 및 회전각도를 검출하여 벡터제어방법으로 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 단계; 및 (c) 상기 (a)단계에서의 전원공급이 중단되면 밸브를 강제로 개폐하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의하면, 상용 전원시는 물론 자연재해 등의 비상시에도 준비된 비상전원(DC전원)에 의해 일정시간 동안 발전소 등의 제어설비를 안정적으로 유지 및 관리할 수 있으며 작업자의 선택에 따라 자동/수동모드의 전환이 가능하고 전원이 차단되는 비상시에도 효과적으로 대처할 수 있을 뿐만 아니라 입력된 전류 및 엔코더 정보를 연산하여 밸브의 유량 및 압력을 지능적으로 제어하고 밸브실 내의 이상상태를 실시간으로 감지하여 즉각적으로 대처할 수 있어서 장치의 파손도 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.

Description

하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법{HYBRID TYPE VALVE ACTUATOR AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상용 전원시는 물론 자연재해 등의 비상시에도 준비된 비상전원(DC전원)에 의해 일정시간 동안 발전소 등의 제어설비를 안정적으로 유지 및 관리할 수 있을 뿐만 아니라 밸브의 상태와 유량 및 압력을 실시간으로 확인하여 밸브의 유량 및 압력을 지능적으로 제어할 수 있는 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법에 관한 것이다.
산업 기계에 일반적으로 활용되고 있는 교류 전동기는 본질적으로 회전 자계 속도가 결정되어져 있기 때문에 지금까지는 제어를 필요치 않는 정속 전동기로서 폭넓게 사용되어 왔고, 교류전동기 중에서도 범용 전동기는 회전자 구조가 간단하고 고장률이 낮으며 타 모터에 비해 가격경쟁력 측면의 장점과 동시에 본래의 고유 특성에 주파수 변환장치를 적용하여 우수한 성능을 가지게 되었다. 최근 서보 분야에 있어 고성능 전력용 반도체 디바이스의 출현과 마이크로 프로세스 등 LSI 기술의 개발, 벡터제어 등의 신기술 진보에 따라 교류 가변속 드라이브 시스템은 직류기를 상회하는 기능을 가지게 되어 시장에서 소형화, 고급화 등 가격 경쟁력을 확보하고 있다. 또한 고성능/저가격의 장점과 유지관리의 편리성으로 인해 최근 중/대용량에 활용되고 있는 추세이다.
그러나 대용량 동력 제어 분야에서는 대부분이 유압과 기계식으로 구성되어 있고 일부 전동화 되어 있지만 주파수 제어에 불과하며 고성능 분야에는 직류기 시스템을 사용하고 있기 때문에 정기적인 유지관리의 문제가 있어 고가의 유지비와 장기적인 보수작업이 필요하므로 설비 관리에 많은 문제점을 안고 있을 뿐만 아니라 Fail- Safe 설계 개념이 전무한 현실이다.
한편 밸브 액추에이터는 원자력 발전설비를 비롯하여 수력, 화력발전 설비에 필요한 밸브를 자동으로 개폐해주는 장치로서 상/하수 처리시스템, 전력계통 설비, 철도제어, 제철운전설비, 농수관리, 석유화학시스템, 소각/환경시스템 분야 등에 광범위하게 사용되는 핵심 장치이다.
산업 및 발전설비의 액추에이터(actuator)는 운전조건, 환경 등에 따라 다양한 형식이 사용되고 있으나 제어기기를 활용한 발전 설비의 개도, 추력, 속도의 연동제어의 가변적 환경으로 인하여 안정적 운용에 문제가 발생하는 경우가 있다. 심할 경우 계획예방정비의 어려움과 시스템 파손 등의 경제적 손실을 초래할 수도 있다. 이와 같은 문제로 선진국에서는 신기술을 적용한 발전 설비의 내구성을 향상시키는 추세에 있으나 국내에서는 아직 미흡한 수준이다. 이들 시스템은 구조의 복잡성, 고가의 제조원가, 예비품 확보에 고비용, 높은 에너지 소비, 유지보수의 고비용 등 복합적인 문제점을 가지고 있다.
대한민국 등록실용신안 제0251187호에서는, 전동 밸브조작기의 전기적 구동력을 기계적 구동력으로 변환하는 전동기와, 상기 전동기의 회전자 축을 가공한 웜 축, 상기 웜 축과 맞물려 회전하면서 회전축 방향을 수직하게 변환하고 치차 비에 상당하는 변속작용을 하기 위한 웜 기어, 상기 웜 기어의 회전수를 검출하기 위한 회전수검출기 등을 포함하는 렌치헤드, 전동기에 공급되는 전압과 전류를 검출하기 위한 전압검출기와 전류검출기 등을 포함하는 교류 구동식 휴대용 전동 밸브조작기가 개시되어 있다.
그러나 상기 선행기술에서는 전동 밸브조작기에 전원 공급이 중단되었을 경우를 대비한 안전장치가 마련되어 있지 않을 뿐만 아니라 전동기의 회전력이 웜과 웜휠에 의해 밸브로 전달되는 구조이므로 전원공급 중단시에는 작업자가 직접 수동으로 조작해야 하는 문제점이 있었다.
특히 일본의 사례처럼 ‘최악의 상황’을 대비하여 제2, 제3의 안전대책을 강구해야 하는 수력/화력/원자력발전에 있어서, 상용 전력의 차단 시에 시스템을 안정적으로 유지할 수 있게 하는 관련장치의 개발은 필수적이다. 이에 따라 “국내 발전소도 갑작스러운 자연재해에 따른 전력 차단의 가능성을 준비해야 한다.”는 현실적 상황을 고려하여 시스템을 작동할 비상 전원공급 시스템을 탑재한 설비의 확충이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 상용 전원시는 물론 자연재해 등의 비상시에도 준비된 비상전원(DC전원)에 의해 일정시간 동안 발전소 등의 제어설비를 안정적으로 유지 및 관리할 수 있을 뿐만 아니라 밸브의 상태와 유량 및 압력을 실시간으로 확인하여 밸브의 유량 및 압력을 지능적으로 제어할 수 있는 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 토크 전달성과 속도응답성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 작업자의 선택에 따라 자동/수동모드의 전환이 가능하고 모든 전원이 차단되는 비상시에도 효과적으로 대처할 수 있는 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터는, AC전원공급장치 및 DC전원공급장치를 구비하고, AC전원의 정전여부를 감지하는 정전검출모듈로부터 AC전원의 정전이 감지되면 상기 DC전원공급장치를 통해 전원을 공급하고 정전이 감지되지 않으면 상기 AC전원공급장치를 통해 전원을 공급하되 충전모듈을 통해 상기 DC전원공급장치로 충전시키는 전원제어장치를 포함하는 전원공급부;와 전류센서와 엔코더(encoder) 및 브레이크장치가 구비된 AC유도전동기와, 인터페이스모듈과 상기 전류센서 및 엔코더로부터 입력된 정보를 이용하여 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 모터제어모듈이 구비된 모터제어장치를 포함하는 액추에이터부; 회동가능하게 체결되고 단부에는 유로를 개폐하는 디스크가 구비된 구동로드를 포함하는 밸브부; 및 상기 액추에이터부 및 밸브부 간에 체결되어 상기 AC유도전동기의 회전력을 상기 밸브부로 전달시키며, 상기 전원공급부로부터 전원이 공급이 되지 않는 경우에는 강제로 상기 밸브부의 유로를 개폐시키는 강제개폐장치가 구비된 동력전달부;를 포함하여 이루어진다.
이때 상기 동력전달부는, 상기 AC유도전동기의 모터축에 체결되는 제1스퍼기어와, 상기 제1스퍼기어와 치합되는 제2스퍼기어 및, 상기 제2스퍼기어와 치합되고 상기 밸브부와 체결되는 제3스퍼기어를 포함하여 이루어지고, 상기 강제개폐장치는, 상기 제2스퍼기어와 치합되는 랙기어와, 상기 랙기어의 일측에 구비되어 상기 랙기어를 타측으로 가압하는 탄성부재를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 밸브부에는, 상기 구동로드의 추력(thrust)을 감지하여 상기 액추에이터부로 전송하는 추력센서가 더 구비되는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법은, (a) AC전원의 정전여부를 검출하여, 정전이면 DC전원을 공급하고, 정전이 아니면 AC전원을 공급하되 AC전원을 이용하여 DC전원을 충전시키는 단계;와 (b) 상기 (a)단계에서 공급된 전원으로 AC유도전동기를 구동시켜 밸브의 개도를 조절하되, 상기 AC유도전동기의 전류 및 회전각도를 검출하여 벡터제어방법으로 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 단계; 및 (c) 상기 (a)단계에서의 전원공급이 중단되면 밸브를 강제로 개폐하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
또한 (d) 사용자로부터 수동모드 또는 자동모드를 선택받고, 상기 자동모드가 선택된 경우에만 상기 (a) 내지 (c)단계가 수행되는 단계;가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 (e) 상기 밸브에 구비된 추력센서를 통해 밸브의 이상(異常)상태를 검출하고, 이상상태로 판단되면 상기 (b)단계에서의 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 수정제어하는 단계;가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 전원공급부는 AC전원의 정전여부를 감지하여 정전시에는 DC전원을 공급할 수 있도록 하는 전원제어장치를 구비하는 한편 동력전달부에는 모든 전원의 공급 중단시에 밸브를 강제로 개폐할 수 있는 강제개폐장치가 구비됨으로써, 상용 전원시는 물론 자연재해 등의 비상시에도 준비된 비상전원(DC전원)에 의해 일정시간 동안 발전소 등의 제어설비를 안정적으로 유지 및 관리할 수 있을 뿐만 아니라 중앙 집중식 제어에서 각 셀 단위 제어로 전체 시스템을 간소화할 수 있는 효과가 있다.
둘째, AC유도전동기에 구비된 전류센서 및 엔코더로부터 입력된 정보를 이용하여 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 벡터제어하는 모터제어장치가 구비됨으로써, 입력된 전류 및 엔코더 정보를 연산하여 밸브의 상태와 유량 및 압력을 확인할 수 있으며 밸브의 유량 및 압력을 지능적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.
셋째, 액추에이터부와 밸브부 간에 회전력을 전달시키는 동력전달부는 복수의 스퍼기어로 구성되고 강제개폐장치와 체결됨으로써, 토크 전달성과 속도응답성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 전원이 차단되는 비상시에도 효과적으로 대처할 수 있는 장점이 있다.
넷째, 밸브부에는 구동로드의 추력을 감지하는 추력센서가 더 구비됨으로써, 밸브실 내의 이상상태를 실시간으로 감지하여 즉각적으로 대처할 수 있어서 장치의 파손을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 블록구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 회로도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 전원공급부가 도시된 회로도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 액추에이터부의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 작동관계를 도시한 부분단면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 동력전달부의 체결관계를 도시한 요부사시도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 블록구성도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 회로도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 전원공급부(10)가 도시된 회로도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 액추에이터부(20)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)는, 전원공급부(10)와, 액추에이터부(20), 밸브부(30) 및, 동력전달부(40)를 포함하여 이루어진다.
상기 전원공급부(10)는 AC전원공급장치(11)와 DC전원공급장치(12) 및 전원제어장치(13)를 포함하여 이루어지며, 전원제어장치(13)에는 정전검출모듈(14)과 충전모듈(15)이 구비된다.
상기 정전검출모듈(14)은 AC전원의 정전여부를 감지하여 교류전원에 정전발생시에는 전원제어장치(13)로 정전검출신호를 출력하고, 상기 충전모듈(15)은 정전이 검출되지 않은 경우에 AC전원을 통해 DC전원공급장치(12)를 충전시킨다.
상기 전원제어장치(13)는 정전검출모듈(14)로부터 AC전원의 정전이 감지되면 DC전원공급장치(12)를 통해 전원을 공급하고 정전이 감지되지 않으면 AC전원공급장치(11)를 통해 전원을 공급한다.
상기 액추에이터부(20)는 AC유도전동기(21)와 모터제어장치(22)를 포함하여 이루어지고, 상기 모터제어장치(22)는 인터페이스모듈(23)과 모터제어모듈(24)이 구비된다.
상기 AC유도전동기(21)에는 전류센서(211)와 엔코더(encoder)(212) 및 브레이크장치(213)가 구비되고, 상기 모터제어모듈(24)에서는 이러한 전류센서(211) 및 엔코더(212)로부터 입력된 정보를 이용하여 AC유도전동기(21)의 속도와 위치 및 토크를 제어한다.
일반적으로 유도 전동기(Induction Motor)는 직류 전동기에 비해 견고성과 무보수성의 장점을 가지고 있으면서도 그 제어 응답특성 때문에 그 사용이 제한되어 왔다. 그러나 벡터 제어 기법이 등장하면서 유도 전동기가 직류 전동기와 동등한 정도의 높은 응답성을 갖도록 제어할 수 있게 되었고 그에 따라 사용범위가 확대되었다.
유도 전동기의 벡터 제어는 고정자 전류를 자속 및 토크 성분으로 분리 제어함으로써 직류 전동기와 같은 토크 과도응답 특성을 낼 수 있다. 그러나 이러한 벡터제어방식은 제어기의 수가 많고 검출해야 할 정보량이 많아 제어알고리즘이 복잡하여 구현 및 경제성 측면에서 불리하다. 따라서 벡터 제어의 단점을 극복하고 자속 및 토크제어의 속응성을 유지하기 위한 방식으로 최근에는 직접토크제어(Direct Torque Control, DTC)가 크게 주목 받고 있다. 이는 자속 및 토크 지령치와 유도전동기 고정자 전압과 전류 정보를 이용하여 추정된 현재의 자속 및 토크를 비교하여 오차를 계산한 후 히스테리시스 밴드를 거쳐 매 연산 주기 마다 그 오차를 가장 최소화하기 위한 전압벡터를 선정하여 출력하는 방법이다.
본 발명인 밸브 액추에이터(100)는 이러한 DTC 방식에 의해 엔코더를 통해 전동기의 회전자속도와 위치정보를 얻고 고정자전류로부터 자속 및 토크를 계산하여 모터를 효과적으로 제어할 수 있으며, 도 5를 참조하여 제어방법을 설명한다.
먼저 속도제어는 속도 지령값을 확인하여 지령된 주파수와 피드백 되는 주파수(encoder 활용)를 비교 계산하고 PID 제어에 의해 주파수의 가/감속 또는 정속 계산한다. 또한 최대 토크 리밋을 설정하여 설정된 토크까지 실시간으로 제어가 되도록 모터 슬립과 전류를 계산한다. 이렇게 처리된 값들을 벡터 계산하여 파워 트렌지스터를 통하여 모터에 제어 주파수 신호와 제어 전류신호를 벡터(vector) PWM으로 출력한다. 출력된 신호는 외부의 센서에 의해 다시 제어기에 입력된다.
따라서 외부의 센서를 사용하지 않고 모터의 전류와 모터의 각도를 인식하여 외부에서 지령받은 유량과 압력을 비교하여 전동 밸브의 각도를 지능적으로 제어할 수 있게 된다.
상기 밸브부(30)는 회동가능하게 체결되고 단부에는 유로를 개폐하는 디스크가 구비된 구동로드(31)를 포함하며, 디스크의 작동에 따라 유체의 유량 및 압력을 조절할 수 있다. 도 3을 참조하여 모터제어장치(22)를 이용한 밸브제어방법에 대해 설명한다.
먼저 현재 개방도(K)가 요구개방도(Ko)와 편차가 있을 때에는 속도지령 연산회로는 편차(Ke)와 관련하여 개방속도지령(OVo) 또는 폐쇄속도지령(CVo)를 연산한다. 유도전동기증폭기의 토크 지령 연산회로는 연산된 개방속도지령(OVo) 또는 폐쇄속도지령(CVo)에 대한 실제의 개방 또는 폐쇄속도(V)의 편차(Ve)와 관련하여 토크지령을 연산한다. 유도전동기 증폭기의 벡터연산회로는 유도전동기에 공급되어야할 1차전류를 연산하고, 전원제어회로가 유도전동기에 1차전류를 공급하여 요구개방도(Ko)에 대한 현재 개방도(K)의 편차(Ke)가 0으로 감소할 때까지 밸브를 구동한다.
그리고 밸브의 중간 개방정도의 상태에서 요구 개방도(Ko)와 현재 개방도(K)의 편차가 0으로 감소할 때에는, 유도전동기의 출력 토크를 제어하여 밸브의 현재 개방도를 유지하게 한다.
만일 요구 개방도(Ko)가 밸브의 완전 폐쇄 위치일 때에는, 모터는 요구 개방도(Ko)와 현재 개방도(K)의 편차(Ke)가 0으로 감소할 때까지, 즉 밸브가 완전히 폐쇄될 때까지 작동한다. 토크 비교기는 유도전동기 증폭기에 의해 연산된 토크를 차단 토크와 비교하며, 연산된 토크가 기준의 차단 토크와 같으면 유도전동기에 정지신호를 보내고 브레이크장치(213)는 부하작용에 의한 모터 축의 공회전을 방지하기 위하여 동시에 작동한다.
토크 비교기는 작동 토크의 최적치에 관한 데이터를 내장하며, 유도전동기 증폭기에 의하여 연산된 토크치와 데이터를 비교하여 이상 토크를 검출한다. 만약 어떠한 밸브 위치에서 초과 토크가 검출되면, 토크 비교기는 유도전동기를 정지시키고 브레이크장치(213)를 작동시킨다
상기 동력전달부(40)는 액추에이터부(20) 및 밸브부(30) 간에 체결되어 AC유도전동기(21)의 회전력을 밸브부(30)로 전달시킨다. 이때 전원공급부(10)로부터 전원이 공급이 되지 않는 경우에는 발전 설비의 강제적 구속은 매우 위험한 상황을 초래하기 때문에 강제로 구동로드(31)를 회동시키는 강제개폐장치(41)가 구비되어 발전시스템의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 작동관계를 도시한 부분단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 동력전달부(40)의 체결관계를 도시한 요부사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동력전달부(40)는, AC유도전동기(21)의 모터축(214)에 체결되는 제1스퍼기어(42)와, 상기 제1스퍼기어와 치합되는 제2스퍼기어(43), 상기 제2스퍼기어(43)와 치합되고 밸브부(30)와 체결되는 제3스퍼기어(44)를 포함하여 이루어진다.
또한 전술한 강제개폐장치(41)는, 제2스퍼기어(43)와 치합되는 랙기어(411)와 상기 랙기어(411)의 일측에 구비되어 랙기어(411)를 타측으로 가압하는 탄성부재(412)를 포함하여 이루어진다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 동력전달부(40)는, 상기 제3스퍼기어(44)와 동축상에 체결되고 수동핸들(미도시)의 회전력을 전달받는 제4스퍼기어(미도시)가 더 구비될 수도 있다.
따라서 동력전달부(40)는 복수의 스퍼기어를 이용하여 강제개폐장치(41)에 효과적으로 체결될 수 있어서, 토크 전달성과 속도응답성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 작업자의 선택에 따라 자동/수동모드의 전환이 가능하고 모든 전원이 차단되는 비상시에도 탄성부재(412) 및 랙기어(411)에 의해 강제적으로 밸브를 개폐할 수 있어서 위기상황에 대처할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 밸브부(30)에는 추력센서(32)가 더 구비된다.
상기 추력센서(32)는 구동로드(31)의 추력(thrust)을 감지하여 액추에이터부(20)로 실시간 전송한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 밸브 액추에이터(100)는 모터의 전류 및 회전각도를 검출하여 모터를 제어하게 되는데, 이때 밸브실 내에 이물질이 끼거나 밸브가 폐쇄된 상태에서 밸브실 내의 유체 온도의 변화로 인한 구동로드(31)의 열팽창이나 수축현상이 발생된 경우에는 과부하로 인해 장치의 파손위험이 생기게 된다.
따라서 추력센서(32)를 이용하여 밸브부(30)의 이상상태를 실시간으로 감시하여 이상상태정보가 입력되면 액추에이터부(20)에서는 지령값을 수정하여 유도전동기를 수정제어한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법(S100)을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법(S100)은, (a) AC전원의 정전여부를 검출하여, 정전이면 DC전원을 공급하고, 정전이 아니면 AC전원을 공급하되 AC전원을 이용하여 DC전원을 충전시키는 단계(S10);와 (b) 상기 (a)단계에서 공급된 전원으로 AC유도전동기를 구동시켜 밸브의 개도를 조절하되, 상기 AC유도전동기의 전류 및 회전각도를 검출하여 벡터제어방법으로 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 단계(S20); 및 (c) 상기 (a)단계에서의 전원공급이 중단되면 밸브를 강제로 개폐하는 단계(S30);를 포함하여 이루어진다.
이때 (d) 사용자로부터 수동모드 또는 자동모드를 선택받고, 상기 자동모드가 선택된 경우에만 상기 (a) 내지 (c)단계가 수행되는 단계(S40);가 더 포함될 수 있다.
또한 (e) 상기 밸브에 구비된 추력센서를 통해 밸브의 이상(異常)상태를 검출하고, 이상상태로 판단되면 상기 (b)단계에서의 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 수정제어하는 단계(S50);가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 (a) 내지 (e)단계는 전술한 하이브리드형 밸브 액추에이터(100)의 각 구성을 통해 구현될 수 있으며, 구체적인 작용효과에 대해서는 전술한 바와 같다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 하이브리드형 밸브 액추에이터 및 그 제어방법은, 상용 전원시는 물론 자연재해 등의 비상시에도 준비된 비상전원(DC전원)에 의해 일정시간 동안 발전소 등의 제어설비를 안정적으로 유지 및 관리할 수 있으며 작업자의 선택에 따라 자동/수동모드의 전환이 가능하고 전원이 차단되는 비상시에도 효과적으로 대처할 수 있을 뿐만 아니라 입력된 전류 및 엔코더 정보를 연산하여 밸브의 유량 및 압력을 지능적으로 제어하고 밸브실 내의 이상상태를 실시간으로 감지하여 즉각적으로 대처할 수 있어서 장치의 파손도 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
100 : 하이브리드형 밸브 액추에이터
10 : 전원공급부 11 : AC전원공급장치
12 : DC전원공급장치 13 : 전원제어장치
14 : 정전검출모듈 15 : 충전모듈
20 : 액추에이터부 21 : AC유도전동기
211 : 전류센서 212 : 엔코더
213 : 브레이크장치 214 : 모터축
22 : 모터제어장치 23 : 인터페이스모듈
24 : 모터제어모듈
30 : 밸브부 31 : 구동로드
32 : 추력센서
40 : 동력전달부 41 : 강제개폐장치
411 : 랙기어 412 : 탄성부재
42,43,44 : 제1,2,3스퍼기어

Claims (6)

  1. AC전원공급장치 및 DC전원공급장치를 구비하고, AC전원의 정전여부를 감지하는 정전검출모듈로부터 AC전원의 정전이 감지되면 상기 DC전원공급장치를 통해 전원을 공급하고 정전이 감지되지 않으면 상기 AC전원공급장치를 통해 전원을 공급하되 충전모듈을 통해 상기 DC전원공급장치로 충전시키는 전원제어장치를 포함하는 전원공급부;와
    전류센서와 엔코더(encoder) 및 브레이크장치가 구비된 AC유도전동기와, 인터페이스모듈과 상기 전류센서 및 엔코더로부터 입력된 정보를 이용하여 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 모터제어모듈이 구비된 모터제어장치를 포함하는 액추에이터부;
    회동가능하게 체결되고 단부에는 유로를 개폐하는 디스크가 구비된 구동로드를 포함하는 밸브부; 및
    상기 액추에이터부 및 밸브부 간에 체결되어 상기 AC유도전동기의 회전력을 상기 밸브부로 전달시키며, 상기 전원공급부로부터 전원이 공급이 되지 않는 경우에는 강제로 상기 밸브부의 유로를 개폐시키는 강제개폐장치가 구비된 동력전달부;를 포함하여 이루어지는 하이브리드형 밸브 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동력전달부는,
    상기 AC유도전동기의 모터축에 체결되는 제1스퍼기어와, 상기 제1스퍼기어와 치합되는 제2스퍼기어 및, 상기 제2스퍼기어와 치합되고 상기 밸브부와 체결되는 제3스퍼기어를 포함하여 이루어지고,
    상기 강제개폐장치는,
    상기 제2스퍼기어와 치합되는 랙기어와, 상기 랙기어의 일측에 구비되어 상기 랙기어를 타측으로 가압하는 탄성부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 밸브 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 밸브부에는,
    상기 구동로드의 추력(thrust)을 감지하여 상기 액추에이터부로 전송하는 추력센서가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 밸브 액추에이터.
  4. (a) AC전원의 정전여부를 검출하여, 정전이면 DC전원을 공급하고, 정전이 아니면 AC전원을 공급하되 AC전원을 이용하여 DC전원을 충전시키는 단계;와
    (b) 상기 (a)단계에서 공급된 전원으로 AC유도전동기를 구동시켜 밸브의 개도를 조절하되, 상기 AC유도전동기의 전류 및 회전각도를 검출하여 벡터제어방법으로 상기 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 제어하는 단계; 및
    (c) 상기 (a)단계에서의 전원공급이 중단되면 밸브를 강제로 개폐하는 단계;를 포함하여 이루어지는 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    (d) 사용자로부터 수동모드 또는 자동모드를 선택받고, 상기 자동모드가 선택된 경우에만 상기 (a) 내지 (c)단계가 수행되는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    (e) 상기 밸브에 구비된 추력센서를 통해 밸브의 이상(異常)상태를 검출하고, 이상상태로 판단되면 상기 (b)단계에서의 AC유도전동기의 속도와 위치 및 토크를 수정제어하는 단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 밸브 액추에이터의 제어방법.
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JP2001178177A (ja) 1999-12-17 2001-06-29 Mitsubishi Electric Corp 電動機駆動装置および空気調和機
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