KR101848240B1 - 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 선박에 설치되는 짐벌; 상기 짐벌의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축; 상기 회전축에 설치되는 플라이휠; 상기 회전축을 회전시키는 구동모터; 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기에서 구동모터에 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부; 및 상기 발전기에서 구동모터에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 설정하고, 상기 제2모니터링부에서 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 공급하되, 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 하여 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지할 수 있으며, 전력 공급 불균형 문제로 인한 외부 기기의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
더욱 상세하게는, 선박에 설치되는 짐벌; 상기 짐벌의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축; 상기 회전축에 설치되는 플라이휠; 상기 회전축을 회전시키는 구동모터; 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기에서 구동모터에 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부; 및 상기 발전기에서 구동모터에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 설정하고, 상기 제2모니터링부에서 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 공급하되, 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 하여 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지할 수 있으며, 전력 공급 불균형 문제로 인한 외부 기기의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 선박용 자이로 스테빌라이저 플라이휠의 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 전력을 공급하되, 구동모터에서 소모하는 전력 값을 실시간으로 측정하여 구동모터의 소모 전력을 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어함으로써 해당 선박 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지함과 동시에 선박용 자이로 스테빌라이저 플라이휠을 가장 빠른 시간 이내에 목표 회전속도까지 회전시키도록 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자이로 스테빌라이저(gyro-stabilizer)는 자이로스코프(gyroscope)의 세차운동(Precession)으로 발생되는 리액션 토크(reaction toque)로 선체를 안정화시키는 장치로서, 여타의 횡동요(rolling) 저감장치에 비하여 간단한 구성으로 이루어지는 장점을 가지고 있다.
또한 자이로의 회전관성과 자이로의 회전속도에 비례하여 리액션 토크를 가질 수 있기 때문에 선박의 자세안정화가 쉽게 조정 가능하고, 평형수와 화물의 이동 등과 같은 대형 장비를 통해 선박의 자세 제어를 수행하기 어려운 레저용 선박 등에 유리한 구조라 할 수 있다.
이와 관련한 종래 기술 중 하나로, 공개특허 제 10-2016-0042600 호에는 자이로 스테빌라이져를 이용한 레저 선박의 발전 시스템이 개시되어 있다.
도 1은 종래의 자이로 스테빌라이져를 이용한 레저 선박의 발전 시스템을 나타내는 도면이다. 첨부된 도 1을 참조하여 종래의 자이로 스테빌라이져를 이용한 레저 선박의 발전 시스템을 설명하자면, 선박의 롤링 발생 시 선체의 피칭축을 출력축으로 하고 출력축의 토크를 이용하여 발전을 수행함으로써 선박에 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 선체에 피칭이 발생할 시 출력축의 회전에 의해 발전할 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 종래의 자이로 스테빌라이져를 이용한 레저 선박의 발전 시스템을 구체적으로 설명하자면, 레저 선박의 선체에 고정되는 블록(1), 상기 블록(1)의 양측과 회동 가능하게 결합되는 짐벌축(3)이 형성된 짐벌(2), 상기 짐벌(2)의 내부에 회동 가능하게 설치되는 것으로 짐벌축(3)과 직교되는 방향을 중심축으로 회동하는 플라이휠(4) 및, 상기 플라이휠(4)의 중심축과 결합되어 플라이휠(4)을 회동 가능케 하는 구동모터(5)를 포함하며, 상기 플라이휠(4)의 중심축은 선체의 요축과 일치되게 배치되고, 상기 짐벌축(3)은 선체의 피칭축과 일치되게 배치되며, 상기 짐벌축(3) 각각의 단부에는 발전기(6)가 고정 설치되어 선체에 롤링 또는 피칭이 발생되면 상기 짐벌축(3)의 회동에 의해 발전이 수행되도록 하는 것이다.
하지만, 일반적으로 선박용 발전기는 기본적인 선박의 추진, 배수, 소방 및 기타 안전성을 유지하기 위해 기타 전기기기에 전력을 공급하는 역할을 하는데, 상기와 같은 기존의 선박용 자이로 스테빌라이저의 경우에는 선박 횡동요 안정화를 목적으로 자이로 스테빌라이저의 기동을 위하여 소모되는 소모 전력이 일반적인 선박용 발전기가 공급할 수 있는 최대 공급 전력을 초과하는 경우가 빈번하게 발생하며, 이는 전력 공급 불균형 문제를 야기해 선박에 구비된 기타 주요 전기기기의 기능에 악영향을 주는 문제가 발생되고 있다.
본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 선박용 스테빌라이저의 플라이휠 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 공급하되, 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어하여 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지하면서 플라이휠을 목표 회전속도까지 가장 빠른 시간 내에 도달할 수 있도록 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는 데 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템은, 선박에 설치되는 짐벌; 상기 짐벌의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축; 상기 회전축에 설치되는 플라이휠; 상기 회전축을 회전시키는 구동모터; 전력을 생산하는 발전기; 상기 발전기에서 구동모터에 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부; 및 상기 발전기에서 구동모터에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 설정하고, 상기 제2모니터링부에서 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전기에서 외부 기기에 공급되는 전력을 모니터링하여 상기 외부 기기에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제1모니터링부가 더 포함되고, 상기 제어부는, 상기 제1모니터링부에서 측정된 외부 기기의 소모 전력 값을 근거로 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여, 상기 구동모터에 공급되는 전류 및 전압 중 선택되는 하나 또는 복수를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전류 값을 설정하고, 상기 구동모터의 최초 구동 시에, 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전류 값의 90 ~ 100%에 해당하는 고정된 전류를 공급하고, 상기 플라이휠의 회전속도에 비례하는 크기의 전압을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 구동모터에 공급되는 전력 값이 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달한 이후에는, 상기 구동모터에 공급되는 전류 값을 다음과 같은 수학식을 충족시키도록 조정하는 것을 특징으로 한다.
(여기서, I는 구동모터에 공급되는 전류 값, Pmax는 제어부에 의해 산출된 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값, V는 구동모터에 공급되는 전압 값)
또한 상기 제어부는, 상기 플라이휠의 회전속도가 목표 값에 도달하면, 상기 구동모터에 공급되는 전압 값은 고정하고, 상기 플라이휠의 회전속도가 목표 값을 유지하는 크기의 일정한 값의 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 구동모터의 토크 값이 미리 설정된 토크 값을 초과하는 경우, 상기 구동모터의 토크 값이 상기 미리 설정된 토크 값의 이하가 되도록 상기 구동모터에 공급되는 전류 값을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
한편, 위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법은, 상기 플라이휠의 목표 회전속도를 설정하는 설정단계; 상기 플라이휠의 현재 회전속도가 상기 목표 회전속도에 도달하였는지 판단하는 제1판단단계; 상기 플라이휠의 현재 회전속도가 목표 회전속도에 도달하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 제1모니터링부에 의해 측정된 외부 기기의 소모 전력 값을 근거로 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 상기 구동모터에 공급하는 공급단계; 상기 공급단계에서 상기 구동모터에 공급된 전력 값이 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하였는지 판단하는 제2판단단계; 및 상기 제2판단단계에서 상기 구동모터에 공급된 전력 값이 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달한 것으로 판단되는 경우, 상기 구동모터에 공급되는 전류 값을 감소시키는 제1전류감소단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공급단계에서 상기 제어부는 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전류 값을 설정하고, 상기 구동모터에 공급 가능한 최대 전류 값의 90 ~ 100%에 해당하는 고정된 전류를 최초 전류 값으로 설정하여 공급하며, 상기 플라이휠의 회전속도에 비례하는 크기의 전압을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전류감소단계에서 상기 구동모터에 공급되는 전류 값은 다음과 같은 수학식을 충족시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
(여기서, I는 구동모터에 공급되는 전류 값, Pmax는 제어부에 의해 산출된 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값, V는 구동모터에 공급되는 전압 값)
또한, 상기 제1전류감소단계 이후에, 구동모터에서 출력되는 토크 값이 미리 설정된 토크 값에 도달하였는지 판단하는 제3판단단계; 및 상기 제3판단단계에서 측정된 구동모터의 토크 값이 미리 설정된 토크 값 이상으로 판단되는 경우, 상기 구동모터에 공급되는 전류 값을 감소시키는 제2전류감소단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 플라이휠의 현재 회전속도가 상기 목표 회전속도에 도달하였는지 판단하는 제1판단단계에서 상기 플라이휠의 회전속도가 목표 값에 도달하면, 상기 구동모터에 공급되는 전압 값은 고정하고, 상기 플라이휠의 회전속도가 목표 값을 유지하는 크기의 일정한 값의 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법에 의하면, 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 공급하되, 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 하여 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지할 수 있으며, 전력 공급 불균형 문제로 인한 외부 기기의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 전력 공급 불균형 문제를 방지함과 동시에 플라이휠의 목표 회전속도까지 가장 빠른 시간 내에 도달할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 자이로 스테빌라이져를 이용한 레저 선박의 발전 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템을 나타내는 블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템의 시간에 따른 소요 전류와 전압, 플라이휠의 회전 속도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템의 시간에 따른 소모 전력을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법을 나타내는 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템을 나타내는 블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템의 시간에 따른 소요 전류와 전압, 플라이휠의 회전 속도를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템의 시간에 따른 소모 전력을 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법을 나타내는 흐름도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
본 발명은 선박용 자이로 스테빌라이저 플라이휠의 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 전력을 공급하되, 구동모터에서 소모하는 전력 값을 실시간으로 측정하여 구동모터의 소모 전력을 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어함으로써 해당 선박 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지함과 동시에 선박용 자이로 스테빌라이저 플라이휠을 가장 빠른 시간 이내에 목표 회전속도까지 회전시키도록 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템 및 이의 제어 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템을 나타내는 블록도이다
첨부된 도 2 및 도 3에 따르면, 본 발명의 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템에는, 선박에 설치되며 양측에 짐벌축(11)이 형성되는 짐벌(10), 상기 짐벌(10)의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축(20), 상기 회전축(20)에 설치되는 플라이휠(30), 상기 회전축(20)을 회전시키는 구동모터(40), 전력을 공급하는 발전기(50), 상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부(60), 상기 발전기(50)에서 외부 기기(90)에 공급되는 전력을 모니터링하여 상기 외부 기기(90)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제1모니터링부(70) 및 상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터(40)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부(80)를 포함한다.
이때 상기 제어부(60)는, 상기 제1모니터링부(70)에서 측정된 외부 기기(90)의 소모 전력 값을 근거로 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 및 전압 중 선택되는 하나 또는 복수를 제어하되, 상기 제2모니터링부(80)에서 측정된 구동모터(40)의 소모 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어할 수 있다.
즉 본 발명의 제어부(60)는, 상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값(Pmax)을 산출하고, 상기 구동모터(40)의 소모 전력 값이 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값(Pmax)을 초과하지 않도록 제어함으로써, 상기 발전기(50)에서 공급되는 전력의 공급 불균형 문제를 방지하는 것이다.
상기와 같이, 구동모터(40)의 소모 전력 값을 제어하는 것은, 일반적인 선박에서 사용되는 발전기의 용량이 플라이휠을 회전시키는 구동모터의 용량보다 적고, 발전기에서 생산되는 전력은 플라이휠의 구동뿐만 아니라, 기본적인 선박의 추진, 배수, 소방 및 기타 안정성을 유지하지 위한 외부 기기에도 사용되기 때문이며, 플라이휠은 초기 구동 시에만 많은 전력을 필요로 하기 때문에, 플라이휠 구동을 위해 더욱 큰 용량의 발전기를 구비하는 것은 많은 비용이 낭비되는 문제가 있다.
이에 따라 본 발명의 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템은, 상기 플라이휠(30)의 구동 시에 외부 기기(90)에 공급하는 전력 값은 최소화시키고, 상기 플라이휠(30)을 구동시키는 구동모터(40)에는 공급 가능한 최대 전력 값을 공급함으로써, 상기 플라이휠(30)이 목표 회전속도까지 빠른 시간 내에 도달할 수 있도록 함으로써, 구동모터의 용량보다 적은 용량을 갖는 발전기를 효율적으로 사용하는 것이다.
상기 제어부(60)는, 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값을 설정하고, 상기 구동모터(40)의 최초 구동 시에, 상기 구동모터(40)에 상기 발전기(50)에서 공급 가능한 최대 전류의 90 ~ 100%에 해당하는 고정된 값의 전류가 상기 구동모터(40)에 공급되도록 할 수 있다.
즉, 통상적으로 구동모터(40)의 출력토크는 플라이휠(30)의 각가속도와 비례하게 되며, 구동모터(40)의 출력토크는 구동모터(40)에 입력되는 전류의 값에 비례하게 된다. 따라서, 구동모터(40)에서 출력 가능한 토크에 따라 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값이 설정된다.
한편, 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력은 상기 발전기(50)의 공급되는 전력과 제1모니터링부(70)에서 측정된 외부 기기(90)의 소모 전력을 근거로 산출될 수 있다.
상기 구동모터(40)를 최초에 구동할 때에는 구동모터에 공급되는 전류의 크기는 최대 값에 가깝지만 구동모터(40)에 공급되는 전압의 크기는 크지 않아 결과적으로 구동모터에 공급되는 전력의 크기는 크지 않다. 하지만, 플라이휠(30)이 점차 빠르게 회전하면서 상기 플라이휠(30)의 회전속도와 비례하게 상기 플라이휠(30)에서 소모되는 전압의 크기도 증가하면서, 상기 플라이휠(30)에서 소모되는 전력의 크기도 점차 증가하게 된다.
상기 제어부(60)는 상기 구동모터(40)에 공급되는 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값이 다음과 같은 수학식 1을 충족시키도록 제어할 수 있다.
상기 수학식 1에서, I는 구동모터에 공급되는 전류 값을 의미하고, Pmax는 제어부에 의해 산출된 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 의미하며, V는 구동모터에 공급되는 전압 값을 의미한다.
즉, 상기 플라이휠(30)의 기동 초기에는 상기 플라이휠(30)의 회전속도를 빠르게 증가시키기 위해, 상기 구동모터(40)에서 출력되는 토크의 값을 최대로 올려야 하며, 이와 비례하게 구동모터(40)로 공급되는 전류 값은 최대 값을 유지하게 된다. 따라서, 상기 플라이휠(30)의 기동 초기에는 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류의 값은 고정되고, 전압은 상기 플라이휠(30)의 회전속도에 비례하여 점차 증가하게 된다. 상기 구동모터(40)가 최대 전력을 소모하는 시점이 되면, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압의 크기는 더욱 증가하는 추세에 있으며, 상기 플라이휠(30)의 회전속도를 목표치까지 증가시키기 위해서는 전압의 크기를 줄일 수는 없게 된다. 따라서, 상기 구동모터(40)가 최대 전력을 소모하는 시점 이후에는 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류의 값을 줄여 상기 구동모터(40)에 공급되는 전력의 크기는 일정하게 유지되도록 제어한다.
이를 정리하자면, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압은 상기 플라이휠(30)의 회전속도와 비례하여 가변될 수 있다. 또한, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압은 상기 플라이휠(30)의 회전속도에 비례하여 증가하게 제어되고, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류는 상기 구동모터(40)의 소모 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값을 초과하지 않도록 상기 전압의 증가에 비례하여 감소되게 제어될 수 있다.
한편, 통상적으로 직류 모터의 경우 모터에 공급되는 전류량은 토크(Torque)에 비례하고, 전압은 회전속도에 비례한다.
따라서, 상기 제어부(60)는, 상기 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값을 초과하는 경우, 상기 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값의 이하가 되도록 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시킬 수 있다.
즉, 상기 제어부(60)는 상기 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값을 초과하지 않도록 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 제어함으로써, 상기 플라이휠(30)의 회전 속도(RPM)가 빠르게 증가하도록 할 수 있다.
통상적인 상황에서는 일정한 전류를 상기 구동모터(40)에 입력하면 상기 구동모터(40)는 일정한 토크를 출력시켜 초기에 설정한 전류 값 이후에 상기 구동모터(40)의 전류 값을 따로 제어할 필요가 없으나, 상기 구동모터(40)를 구동시키는 처음 시점에는 상기 구동모터(40)를 움직이는 시점에 정지마찰력이 작용하게 되어 상기 구동모터(40)의 출력에 작용하는 토크의 값이 일시적으로 증가할 수 있다. 이 때, 상기 구동모터(40)에 공급하는 전류의 값이 최대 값에 가까우면 일시적으로 증가한 정지 마찰력에 기인한 외부 저항에 의하여 상기 구동모터(40)가 손상을 입을 수 있으므로 이러한 상황이 발생하는 시점에는 상기 구동모터(40)에 입력되는 전류의 값을 감소시켜 상기 구동모터(40)의 출력에 부하를 줄여주어야 한다.
도 4는 본 발명에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템의 시간에 따른 소요 전류와 전압, 플라이휠의 회전 속도를 나타내는 그래프이다.
첨부된 도 4에 따르면, 플라이휠(30)의 기동 초기에는 구동모터(40)가 출력할 수 있는 최대 크기의 토크를 출력하기 위하여 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값이 공급되며, 상기 구동모터(40)가 소모하는 전력이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하는 시점(ta)까지 플라이휠(30)의 회전속도(RPM)와 공급 전압이 빠르게 증가하는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압의 크기는 구동모터(40)의 회전속도에 비례하므로, 전압의 크기가 크지 않아 상기 구동모터(40)에 공급되는 전력의 양이 크지 않다. 이후, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압의 크기가 점차 증가함에 따라 (ta) 시점에서 구동모터(40)에 공급된 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하게 된다.
이 때, 상기 플라이휠(30)을 처음 구동하는 시점에는 정지마찰력에 의하여 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류의 값이 일시적으로 불규칙하게 증가하게 된다.
한편, 상기 (ta) 시점이후에는 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 점차 감소시켜 상기 구동모터(40)에 공급하는 전력의 크기를 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값(Pmax)으로 일정하게 유지한다. 이후, 상기 플라이휠(30)의 회전속도가 지속적으로 증가하여 상기 회전속도가 목표 값에 이르는 (tb) 시점까지 상기 공급 전압과 공급 전류를 조정하여 상기 구동모터(40)를 제어하게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템의 시간에 따른 소모 전력을 나타내는 그래프이다.
첨부된 도 5에 따르면, 상기 구동모터(40)가 최대 전력까지 소모하지 않는 (A) 구간에서는 구동모터(40)로 공급되는 전류는 일정한 반면, 플라이휠(30)에 공급되는 전압이 증가하기 때문에 소모 전력이 빠르게 증가하고, (B) 구간은 (ta) 시점 이후 상기 구동모터(40)로 공급되는 전압이 상기 플라이휠(30)의 회전속도와 함께 상승되어, 상기 구동모터(40)로 공급되는 전력이 최대 값(Pmax)에 도달함에 따라 상기 구동모터(40)로 공급되는 전류를 감소시켜 상기 구동모터(40)로 공급되는 전력이 일정하게 유지되는 구간이며, (C) 구간은 (tb) 지점 이후 상기 플라이휠(30)의 회전속도가 목표 값에 도달함에 따라 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시켜 상기 플라이휠(30)의 고정 회전속도에서 상기 플라이휠(30)의 마찰 저항에 소모되는 전력만을 공급함으로써, 공급 전력이 안정화되는 구간이다. 상기 (C)구간에서는 상기 플라이휠(30)의 회전속도는 일정한 값을 가지게 되므로 상기 구동모터(40)로 공급되는 전압의 크기는 일정하게 된다. 상기 (C)구간에서는 상기 플라이휠(30)을 더 이상 가속할 필요가 없으므로 상기 플라이휠(30)에 공급되는 전류의 크기는 이론적으로는 0이지만 상기 플라이휠(30)의 공기 저항과 상기 플라이휠(30)의 회전축에서 발생하는 마찰력에 의하여 상기 플라이휠(30)은 점차 감속하게 되므로 상기 플라이휠(30)을 일정속도로 유지시키기 위해서는 상기 공기 저항과 마찰력을 극복할 만큼의 토크가 필요하며, 상기 구동모터(40)에는 일정한 크기의 전류가 공급되어야 한다. 따라서, 상기 (C)구간에서는 일정한 크기의 전력이 소모된다.
도 6은 본 발명에 따른 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
첨부된 도 6에 따르면, 본 발명의 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법은, 설정단계(S10), 제1판단단계(S20), 공급단계(S30), 제2판단단계(S40), 제1전류감소단계(S50), 제2판단단계(S60) 및 제2전류감소단계(S70)를 포함한다.
이때, 상기 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템은 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 선박에 설치되는 짐벌(10), 상기 짐벌(10)의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축(20), 상기 회전축(20)에 설치되는 플라이휠(30), 상기 회전축(20)을 회전시키는 구동모터(40), 상기 구동모터(40)로 전력을 공급하는 발전기(50), 상기 구동모터(40)로 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부(60), 외부 기기에 공급되는 전력을 모니터링하여 상기 외부 기기에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제1모니터링부(70) 및 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터(40)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부(80)를 포함한다.
상기 설정단계(S10)는, 상기 플라이휠(30)의 목표 회전속도를 설정하는 단계이다.
상기 제1판단단계(S20)는, 상기 플라이휠(30)의 현재 회전속도가 상기 설정단계(S10)에서 설정된 목표 회전속도에 도달하였는지 판단한다.
또한, 상기 플라이휠(30)의 현재 속도가 상기 설정단계(S10)에서 설정된 목표 속도에 도달하는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값 및 전압 값을 일정하게 유지시키는 단계(S25)가 더 포함될 수 있다.
이때, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압 값은 상기 플라이휠(30)의 회전속도와 함께 일정하게 유지되며, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값은 상기 플라이휠(30)의 마찰 저항에 소모되는 전력만큼만 공급되도록 일정하게 유지될 수 있다.
상기 공급단계(S30)는, 상기 외부 기기(90)로 공급되는 전력을 모니터링하여 상기 외부 기기(90)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하고, 측정된 외부 기기(90)의 소모 전력 값을 근거로 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 상기 구동모터(40)에 공급하는 단계이다. 이때, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전력은 상기 플라이휠(30)을 회전시키게 된다.
또한, 상기 공급단계(S30)에서 상기 제어부(60)는 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값을 설정하고, 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값의 90 ~ 100%에 해당하는 전류 값일 수 있다.
상기 제2판단단계(S40)는, 상기 공급단계(S30)에서 상기 구동모터(40)에 공급된 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하였는지 판단하는 단계이다.
이때, 상기 제2판단단계(S40)에서 상기 구동모터(40)에 공급된 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하지 않은 것으로 판단되는 경우에는, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 그대로 유지하는 단계(S45)가 더 포함될 수 있다.
상기 제1전류감소단계(S50)는, 상기 제2판단단계(S40)에서 상기 구동모터(40)에 공급된 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달한 것으로 판단되는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시키는 단계이다.
이때, 상기 제1전류감소단계(S50)에서 감소되는 전류 값은 다음과 같은 수학식 2를 충족시킬 수 있다.
상기 수학식 2에서, I는 구동모터에 공급되는 전류 값을 의미하고, Pmax는 제어부에 의해 산출된 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 의미하며, V는 구동모터에 공급되는 전압 값을 의미한다.
상기 제3판단단계(S60)는 상기 구동모터(40)에서 출력되는 토크 값이 미리 설정된 토크 값에 도달하였는지 판단하는 단계이다.
이때, 상기 제3판단단계(S60)에서 상기 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값에 도달하지 않은 것으로 판단되는 경우에는, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 그대로 유지하는 단계(S65)가 더 포함될 수 있다.
상기 제2전류감소단계(S70)는, 상기 제3판단단계(S60)에서 측정된 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값에 도달한 것으로 판단되는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시키는 단계이다.
이상 본 발명에 의하면, 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 구동모터에 공급하되, 측정된 구동모터의 소모 전력 값이 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 하여 전체 시스템의 전력 공급 불균형 문제를 방지할 수 있으며, 전력 공급 불균형 문제로 인한 외부 기기의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시 예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 알 수 있다.
10 : 짐벌 11 : 짐벌축
20 : 회전축 30 : 플라이휠
40 : 구동모터 50 : 발전기
60 : 제어부
70 : 제1모니터링부 80 : 제2모니터링부
90 : 외부 기기
20 : 회전축 30 : 플라이휠
40 : 구동모터 50 : 발전기
60 : 제어부
70 : 제1모니터링부 80 : 제2모니터링부
90 : 외부 기기
Claims (11)
- 선박에 설치되는 짐벌(10);
상기 짐벌(10)의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축(20);
상기 회전축(20)에 설치되는 플라이휠(30);
상기 회전축(20)을 회전시키는 구동모터(40);
전력을 생산하는 발전기(50);
상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부(60); 및
상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터(40)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부(80);
를 포함하되,
상기 제어부(60)는, 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값을 설정하고, 상기 제2모니터링부(80)에서 측정된 구동모터(40)의 소모 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값의 이하가 되도록 제어하며,
상기 발전기(50)에서 외부 기기(90)에 공급되는 전력을 모니터링하여 상기 외부 기기(90)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제1모니터링부(70)가 더 포함되고,
상기 제어부(60)는,
상기 제1모니터링부(70)에서 측정된 외부 기기(90)의 소모 전력 값을 근거로 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 및 전압 중 선택되는 하나 또는 복수를 제어하며,
상기 플라이휠(30)의 구동 시에는, 상기 플라이휠(30)이 목표 회전속도에 도달하는 시점까지, 외부 기기(90)에 공급하는 전력 값은 최소화시키고, 상기 플라이휠(30)을 구동시키는 구동모터(40)에는 공급 가능한 최대 전력 값을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제어부(60)는,
상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값을 설정하고, 상기 구동모터(40)의 최초 구동 시에, 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값의 90 ~ 100%에 해당하는 고정된 전류를 공급하고, 상기 플라이휠(30)의 회전속도에 비례하는 크기의 전압을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템.
- 청구항 3에 있어서,
상기 제어부(60)는,
상기 구동모터(40)에 공급되는 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달한 이후에는, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 다음과 같은 수학식을 충족시키도록 조정하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템.
(여기서, I는 구동모터에 공급되는 전류 값, Pmax는 제어부에 의해 산출된 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값, V는 구동모터에 공급되는 전압 값)
- 청구항 4에 있어서,
상기 제어부(60)는,
상기 플라이휠(30)의 회전속도가 목표 값에 도달하면, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압 값은 고정하고, 상기 플라이휠(30)의 회전속도가 목표 값을 유지하는 크기의 일정한 값의 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템.
- 청구항 1 또는 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부(60)는,
상기 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값을 초과하는 경우, 상기 구동모터(40)의 토크 값이 상기 미리 설정된 토크 값의 이하가 되도록 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 시스템.
- 선박에 설치되는 짐벌(10), 상기 짐벌(10)의 내부 중앙에서 지면 혹은 수면과 수직 방향으로 설치되는 회전축(20), 상기 회전축(20)에 설치되는 플라이휠(30), 상기 회전축(20)을 회전시키는 구동모터(40), 전력을 생산하는 발전기(50), 상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급되는 전류와 전압을 제어하는 제어부(60), 상기 발전기(50)에서 외부 기기(90)에 공급되는 전력을 모니터링하여 상기 외부 기기(90)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제1모니터링부(70) 및 상기 발전기(50)에서 구동모터(40)에 공급되는 전류 및 전압을 모니터링하여 상기 구동모터(40)에서 소모되는 소모 전력 값을 측정하는 제2모니터링부(80)를 포함하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법에 있어서,
상기 플라이휠(30)의 목표 회전속도를 설정하는 설정단계(S10);
상기 플라이휠(30)의 현재 회전속도가 상기 목표 회전속도에 도달하였는지 판단하는 제1판단단계(S20);
상기 플라이휠(30)의 현재 회전속도가 목표 회전속도에 도달하지 않은 것으로 판단되는 경우, 상기 제1모니터링부(70)에 의해 측정된 외부 기기(90)의 소모 전력 값을 근거로 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값을 산출하여 상기 구동모터(40)에 공급하는 공급단계(S30);
상기 공급단계(S30)에서 상기 구동모터(40)에 공급된 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달하였는지 판단하는 제2판단단계(S40); 및
상기 제2판단단계(S40)에서 상기 구동모터(40)에 공급된 전력 값이 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전력 값에 도달한 것으로 판단되는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시키는 제1전류감소단계(S50);
를 포함하며,
상기 제어부(60)는,
상기 플라이휠(30)의 구동 시에는, 상기 플라이휠(30)이 목표 회전속도에 도달하는 시점까지, 외부 기기(90)에 공급하는 전력 값은 최소화시키고, 상기 플라이휠(30)을 구동시키는 구동모터(40)에는 공급 가능한 최대 전력 값을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 공급단계(S30)에서 상기 제어부(60)는 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값을 설정하고, 상기 구동모터(40)에 공급 가능한 최대 전류 값의 90 ~ 100%에 해당하는 고정된 전류를 최초 전류 값으로 설정하여 공급하며, 상기 플라이휠(30)의 회전속도에 비례하는 크기의 전압을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 제1전류감소단계(S50)에서 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값은 다음과 같은 수학식을 충족시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법.
(여기서, I는 구동모터에 공급되는 전류 값, Pmax는 제어부에 의해 산출된 구동모터에 공급 가능한 최대 전력 값, V는 구동모터에 공급되는 전압 값)
- 청구항 7에 있어서,
상기 제1전류감소단계(S50) 이후에,
구동모터(40)에서 출력되는 토크 값이 미리 설정된 토크 값에 도달하였는지 판단하는 제3판단단계(S60); 및
상기 제3판단단계(S60)에서 측정된 구동모터(40)의 토크 값이 미리 설정된 토크 값 이상으로 판단되는 경우, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전류 값을 감소시키는 제2전류감소단계(S70);
가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 플라이휠(30)의 현재 회전속도가 상기 목표 회전속도에 도달하였는지 판단하는 제1판단단계(S20)에서 상기 플라이휠(30)의 회전속도가 목표 값에 도달하면, 상기 구동모터(40)에 공급되는 전압 값은 고정하고, 상기 플라이휠(30)의 회전속도가 목표 값을 유지하는 크기의 일정한 값의 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 선박용 자이로 스테빌라이저의 플라이휠 제어 방법.
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