KR101857344B1 - 터빈식 유량 제어 장치 - Google Patents

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마코토 사루와타리
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아즈빌주식회사
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Abstract

본 발명은 밸브체를 이용하지 않고서, 실제 유량을 제어하도록 하여, 전력 절약화를 도모한다. 에너지의 재이용을 도모한다. 위치 센서를 없애고, 장기간의 신뢰성을 확보한다.
회전자(6)와 고정자(7)로 이루어지는 발전부(306)를 설치한다. 회전자(6)는 영구자석을 편입시킨 링(6-1)과 임펠러(6-2)로 구성되어 있다. 회전자(6)를 터빈(308)으로 한다. 터빈(308)의 현재의 각속도와 발전부(306)의 현재의 토크로부터 유로를 흐르고 있는 유체의 실제 유량을 추정하고, 이 추정되는 실제 유량이 설정 유량에 일치되는 발전부(306)의 토크를 연산하며, 연산한 토크 및 터빈(308)의 자극 위치에 기초하여 발전부(306)의 토크를 제어한다. 터빈(308)의 자극 위치는 발전부(306)의 현재의 상전압값 및 상전류값과 발전부(306)의 현재의 권선 온도에 기초하여 추정한다.

Description

터빈식 유량 제어 장치{TURBINE TYPE FLOW RATE CONTROL APPARATUS}
본 발명은 터빈을 이용하여 유체의 유량을 제어하는 터빈식 유량 제어 장치에 관한 것이다.
종래부터, 공조 제어 시스템에서는, 팬 코일 유닛(FCU) 등의 공조기를 구비하고, 이 공조기의 열교환기에 냉온수를 공급하도록 하고 있다. 공조기의 열교환기에의 냉온수의 공급 통로에는 유량 제어 밸브가 설치되어 있고, 이 유량 제어 밸브의 개방도를 제어하는 장치로서 공조 제어 장치(컨트롤러)가 설치되어 있다.
공조 제어 장치는, 공조기로부터의 조화 공기의 공급을 받는 제어 대상 공간의 실내 온도의 계측값과 이 실내 온도에 대해 설정되는 실내 온도의 설정값의 편차를 영으로 하도록, 유량 제어 밸브의 개방도를 제어한다. 이에 의해, 공조기의 열교환기에의 냉온수의 공급량이 제어되어, 공조기로부터의 제어 대상 공간에의 조화 공기의 온도가 조절된다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2008-45855호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 공개 제2012-241659호 공보 [특허문헌 3] 일본 특허 공개 평성 제5-106753호 공보
그러나, 전술한 공조 제어 시스템에 있어서, 냉온수의 공급 통로에 설치된 유량 제어 밸브는, 유로 내에 밸브체로서 설치된 플러그의 개구 면적을 변화시켜, 압력 손실을 발생시킴으로써 유량 제어를 실현하고 있으며, 이때에 발생하는 압력 손실에 상당하는 에너지가 열로서 쓸데없이 버려지고 있었다. 또한, 밸브체를 구동하기 위해서, 대전력을 필요로 한다고 하는 문제도 있었다.
한편, 특허문헌 2에는, 배수 관로의 수돗물을 감압하면서 발전하는 수도 시설의 잔압 이용 발전 장치가 나타나 있다. 이 수도 시설의 잔압 이용 발전 장치에서는, 수돗물이 유통하는 배수 관로에 설치된 수차(水車)와, 수차의 회전에 의해 발전하는 발전기를 구비하고, 발전기의 발전 부하에 의한 수차의 회전 저항에 의해 수차의 하류측을 감압하도록 하고 있다.
이 특허문헌 2에는, 실시형태 2로서, 수차의 유량을 목표 유량으로 하도록, 발전기의 토크를 제어하도록 한 기술이 나타나 있다. 이하, 이 기술을 특허문헌 2의 기술이라고 부른다.
구체적으로는, 수차의 각속도를 검출하고, 이 수차의 각속도와 토크 지령값으로부터 수차의 추정 유량을 산출하며, 이 추정 유량으로부터 감압량을 추정하고, 이 추정 감압량으로부터 목표 유량을 실현하기 위한 토크 지령값을 산출하며, 추정 유량과 목표 유량의 차분을 취하고, 유량의 피드백항을 토크 지령값에 추가하며, 목표 각속도와 각속도의 차분을 취하고, 각속도의 피드백항을 토크 지령값에 추가하며, 이 유량 및 각속도의 피드백항이 추가된 토크 지령값을 인버터에 출력하도록 하고 있다(인용문헌 2의 단락 〔0043〕∼〔0049〕, 도 7, 도 8 등의 기재 참조).
이 특허문헌 2의 기술에 있어서, 목표 유량은 목표 감압량(수차의 상류측과 하류측의 압력차)에 상당하는 목표값이며, 목표 감압량과 마찬가지로, 수도 시설에 따라 정해지는 소정값이 된다.
즉, 특허문헌 2의 기술에 있어서, 목표 유량의 값은 일정값이며, 변동하지 않는 것을 전제로 하고 있고, 이 변동하지 않는 값으로서 정해지는 목표 유량에 추정 유량이 일치하도록, 발전기의 토크를 제어한다. 즉, 특허문헌 2에는, 목표 유량의 값을 변경하여, 실제 유량을 제어하려고 하는 생각은 없고, 수도 시설의 잔압을 이용하여 전기 에너지를 취출하려고 하고 있는 것에 불과하다.
또한, 특허문헌 3에는, 밸브의 밸브 박스 내에 배치되어 밸브체 개방시의 유체 에너지에 의해 회전시켜지는 회전자 및 이 회전자의 회전에 의해 발전하는 발전기를 구비한 발전 장치와, 이 발전 장치에서 발생한 전력을 축적하는 축전 장치와, 이 축전 장치의 출력 전압에 의해 기동하는 전동기와, 이 전동기의 회전 출력을 밸브봉에 전달하는 동력 전달 기구를 구비하고, 축전 장치와 전동기를 전기적으로 접속하는 전로(電路)에 전동기의 정역 회전 및 정지를 선택하여 실행시키는 개폐 장치를 설치한 발전 장치 내장 밸브가 나타나 있다.
이 특허문헌 3에 나타난 발전 장치 내장 밸브는, 내부에, 회전자와 발전기로 이루어지는 「발전 장치」와 유체의 유통 및 차단을 제어하는 「밸브 장치」가 이격되어 설치되어 있기 때문에, 구성 부품이 많고, 또한, 유체의 유동 방향으로 대형화된다. 또한, 이 인용문헌 3에도, 목표 유량의 값을 변경하여, 실제 유량을 제어하려고 하는 생각은 없고, 밸브체의 밸브 개방시에 발생하는 유체 에너지를 이용하여, 밸브체를 자동적으로 개폐시켜, 에너지 손실을 저감하려고 하고 있는 것에 불과하다. 한편, 발전 전력을 이용하여 밸브체를 자동적으로 개폐시키도록 하고 있으나, 밸브체를 이용하고 있기 때문에, 대전력을 필요로 한다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은, 밸브체를 이용하지 않고서, 실제 유량을 제어하도록 하여, 전력 절약화를 도모하는 것이 가능한 터빈식 유량 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 실제 유량을 제어할 때에, 열로서 버려지고 있던 에너지의 일부를 전기 에너지로서 회수하도록 해서, 에너지의 재이용을 도모하여, 에너지 절약에 공헌하는 것이 가능한 터빈식 유량 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 터빈의 자극(磁極) 위치(터빈에 편입된 자석의 자극의 위치)를 검출하는 위치 센서를 없애고, 장기간의 신뢰성을 확보하는 것이 가능한 터빈식 유량 제어 장치를 제공하는 것에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 터빈식 유량 제어 장치는, 유로를 흐르는 유체의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하는 터빈과, 터빈이 변환한 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부와, 유체의 공급처의 부하 변동에 의해 그 값이 변화하는 설정 유량을 입력하는 설정 유량 입력부와, 터빈의 현재의 각속도와 발전부의 현재의 토크로부터 유로를 흐르고 있는 유체의 실제 유량을 추정하고, 이 추정되는 실제 유량이 설정 유량에 일치되는 발전부의 토크를 연산하는 유량 제어부와, 터빈에 편입된 자석의 자극의 위치를 터빈의 자극 위치로서 추정하는 자극 위치 추정부와, 유량 제어부가 연산한 토크 및 자극 위치 추정부가 추정한 터빈의 자극 위치에 기초하여 발전부의 토크를 제어하는 발전부 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 유체의 공급처의 부하 변동에 의해 설정 유량이 변화하면, 터빈의 현재의 각속도와 발전부의 현재의 토크로부터 유로를 흐르고 있는 유체의 실제 유량이 추정되고, 이 추정된 실제 유량이 설정 유량에 일치하도록 발전부의 토크가 제어된다. 이에 의해, 본 발명에서는, 밸브체가 아니라, 발전부의 토크, 즉 터빈의 회전 토크에 의해, 유로를 흐르는 유체의 유량이 제어된다.
또한, 본 발명에서는, 발전부의 토크를 제어할 때, 유량 제어부가 연산한 토크와 터빈의 자극 위치가 이용되는데, 이 터빈의 자극 위치는 자극 위치 추정부에 있어서 추정된다. 즉, 본 발명에서는, 위치 센서를 사용하여 터빈의 자극 위치를 검출하는 것이 아니라, 위치 센서를 사용하지 않고 터빈의 자극 위치를 추정한다. 위치 센서를 사용하는 것으로 한 경우, 위치 센서는 배관에 직접 계장(計裝)되게 되기 때문에, 설치 환경으로서는 열악한 상황에 있어, 장기간의 신뢰성의 면에서 문제가 된다. 이에 비해, 본 발명에서는, 위치 센서를 사용하지 않고 터빈의 자극 위치를 추정하기 때문에, 위치 센서를 사용할 수 없는 열악한 환경에서도 터빈의 자극 위치를 알 수 있고, 장기간의 신뢰성을 확보하는 것이 가능해진다.
본 발명에 의하면, 유로를 흐르는 유체의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하는 터빈과, 터빈이 변환한 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부를 설치하고, 유체의 공급처의 부하 변동에 의해 그 값이 변화하는 설정 유량을 입력으로 하여, 터빈의 현재의 각속도와 발전부의 현재의 토크로부터 유로를 흐르고 있는 유체의 실제 유량을 추정하고, 이 추정되는 실제 유량이 설정 유량에 일치하도록 발전부의 토크를 제어하도록 했기 때문에, 밸브체를 이용하지 않고서, 실제 유량을 제어하도록 하여, 전력 절약화를 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 실제 유량을 제어할 때에, 열로서 버려지고 있던 에너지의 일부를 전기 에너지로서 회수하도록 해서, 에너지의 재이용을 도모하여, 에너지 절약에 공헌하는 것도 가능해진다.
또한, 터빈과 발전부로 이루어지는 「발전 장치」로 유량 제어와 발전의 양 기능을 실현할 수 있어, 구성 부품이 적고, 소형화를 실현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 터빈의 자극 위치를 추정하고, 이 추정한 터빈의 자극 위치 및 유량 제어부가 연산한 토크에 기초하여 발전부의 토크를 제어하기 때문에, 터빈의 자극 위치를 검출하는 위치 센서를 없애고, 위치 센서를 사용할 수 없는 열악한 환경에서도 터빈의 자극 위치를 알도록 하여, 장기간의 신뢰성을 확보하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈식 유량 제어 장치를 이용한 공조 제어 시스템의 일 실시형태를 도시한 계장도(計裝圖).
도 2는 이 공조 제어 시스템에 이용한 터빈식 유량 제어 장치의 제1 실시형태(실시형태 1)의 주요부의 구성도.
도 3은 이 터빈식 유량 제어 장치에 있어서의 발전부의 주요부를 추출하여 도시한 사시도.
도 4는 이 터빈식 유량 제어 장치의 관로에 설치된 회전자를 도시한 사시도.
도 5는 이 터빈식 유량 제어 장치에 있어서의 유량 제어부와 발전부 제어부와 인버터와 자극 위치 추정부가 제휴하여 행하는 특유의 처리 동작을 도시한 플로우차트.
도 6은 도 5에 이어지는 플로우차트.
도 7은 실시형태 2의 터빈식 유량 제어 장치의 주요부의 구성도.
도 8은 실시형태 3의 터빈식 유량 제어 장치의 주요부의 구성도.
도 9는 실시형태 4의 터빈식 유량 제어 장치의 주요부의 구성도.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 터빈식 유량 제어 장치를 이용한 공조 제어 시스템의 일 실시형태를 도시한 계장도이다.
도 1에 있어서, 도면 부호 1은 제어 대상 공간, 도면 부호 2는 이 제어 대상 공간(1)에 조화된 공기를 공급하는 공조기(FCU), 도면 부호 3은 본 발명에 따른 터빈식 유량 제어 장치, 도면 부호 4는 공조 제어 장치(컨트롤러), 도면 부호 5는 터빈식 유량 제어 장치(3)에 대해 설치된 외부 전원이다.
공조기(2)는 열교환기(냉온수 코일)(2-1)와 팬(2-2)을 구비하고 있다. 터빈식 유량 제어 장치(3)는 공조기(2)의 열교환기(2-1)에의 냉온수의 공급 통로(유로)에 설치되어 있다. 이 예에 있어서, 터빈식 유량 제어 장치(3)는, 공조기(2)의 열교환기(2-1)에의 냉온수의 급수 관로(LS)에 설치되어 있다.
한편, 공조기(2)의 열교환기(2-1)로서는, 하나의 코일로 냉방시에는 냉수로서 열교환하고, 난방시에는 온수로서 열교환하는 싱글 코일 타입의 것과, 2개의 코일에 의해 냉방시에는 냉수 코일로 열교환하고, 난방시에는 온수 코일로 열교환하는 더블 코일 타입의 것이 있다. 이 예에 있어서, 열교환기(2-1)는 싱글 코일 타입인 것으로 한다.
제어 대상 공간(1)에는, 이 제어 대상 공간(1) 내의 온도를 실내 온도로서 계측하는 실내 온도 센서(8)가 설치되어 있다. 실내 온도 센서(8)에 의해 계측된 실내 온도[실내 온도의 계측값(tpv)]는 컨트롤러(4)에 보내진다.
컨트롤러(4)는, 실내 온도의 계측값(tpv)과 실내 온도의 설정값(tsp)의 편차를 영으로 하는 제어 출력으로서 공조기(2)의 열교환기(2-1)에의 냉온수의 설정 유량(Qsp)을 연산하고, 이 연산한 설정 유량(Qsp)을 터빈식 유량 제어 장치(3)에 보낸다.
〔터빈식 유량 제어 장치: 실시형태 1〕
도 2에 터빈식 유량 제어 장치(3)의 제1 실시형태(실시형태 1)의 주요부의 구성도를 도시한다. 이 실시형태 1의 터빈식 유량 제어 장치[3(3A)]는, 데이터 통신부(301)와, 시스템 제어부(302)와, 유량 제어부(303)와, 발전부 제어부(304)와, 인버터(305)와, 발전부(306)와, 자극 위치 추정부(307)와, 터빈(308)과, 전원부(309)와, 상용 전원 회생부(310)와, 축전부(311)와, 온도 센서(317)를 구비하고 있고, 컨트롤러(4)와의 사이 및 외부 전원(5)과의 사이는 유선으로 접속되어 있다.
데이터 통신부(301)는, 컨트롤러(4)와 데이터의 송수신을 행하는 기능을 가지며, 컨트롤러(4)로부터의 설정값 등의 데이터를 수신하고, 터빈식 유량 제어 장치(3)의 내부 상태 등의 데이터를 컨트롤러(4)에 송신한다.
시스템 제어부(302)는, 터빈식 유량 제어 장치(3)의 시스템 전체를 제어하는 기능을 가지며, 데이터 통신부(301)로부터의 설정값 등의 수신 데이터를 입력하고, 터빈식 유량 제어 장치(3)의 내부 상태 등의 송신 데이터를 데이터 통신부(301)에 출력한다. 또한, 데이터 통신부(301)로부터의 설정값 등의 수신 데이터로부터 설정 유량(Qsp)을 유량 설정값으로서 취출하고, 이 취출한 유량 설정값(Qsp)을 유량 제어부(303)에 출력한다.
유량 제어부(303)는, 발전부 제어부(304)로부터의 각속도값[터빈(308)의 현재의 각속도](ω) 및 토크값[발전부(306)의 현재의 토크](T)으로부터 무차원 유량 및 무차원 차압을 추정하는 기능, 추정한 무차원 유량 및 무차원 차압으로부터 실제 유량(Q) 및 실제 차압(ΔP)을 추정하는 기능, 추정한 실제 유량(Q)이 유량 설정값(Qsp)에 일치되는 발전부(306)의 토크를 유량 제어칙(制御則)에 의해 토크 설정값(Tsp)으로서 연산하는 기능을 가지며, 시스템 제어부(302)로부터의 유량 설정값(Qsp), 발전부 제어부(304)로부터의 각속도값(ω) 및 토크값(T)을 입력하고, 연산한 토크 설정값(Tsp)을 발전부 제어부(304)에 출력한다.
발전부 제어부(304)는, 발전부(306)의 토크가 토크 설정값(Tsp)이 되도록 벡터 제어칙에 의해 인버터(305)에의 상전압 설정값을 연산하는 기능, 자극 위치 추정부(307)가 추정하는 터빈(308)의 자극 위치(후술)로부터 터빈(308)의 현재의 각속도를 각속도값(ω)으로서 연산하는 기능, 인버터(305)로부터의 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 상전압값 및 상전류값으로부터 발전부(306)의 현재의 토크를 토크값(T)으로서 연산하는 기능을 가지며, 자극 위치 추정부(307)가 추정하는 터빈(308)의 자극 위치, 인버터(305)로부터의 상전압값 및 상전류값, 유량 제어부(303)로부터의 토크 설정값(Tsp)을 입력하고, 연산한 각속도값(ω) 및 토크값(T)을 유량 제어부(303)에 출력하며, 연산한 상전압 설정값을 인버터(305)에 출력한다.
인버터(305)는, 발전부 제어부(304)로부터의 상전압 설정값을 입력하고, 발전부(306)의 고정자 권선에 상전압 설정값을 상전압으로서 출력하는 기능, 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 상전압값 및 상전류값을 발전부 제어부(304) 및 자극 위치 추정부(307)에 출력하는 기능, 발전부(306)에서 발전된 전력을 축전부(311)에 회생하는 기능을 가지며, 전원부(309)로부터의 주전원을 받아 동작한다.
발전부(306)는, 도 3에 그 주요부를 추출하여 도시한 바와 같이, 회전자(6)와 고정자(7)를 구비하고 있다. 회전자(6)는, 영구자석을 편입시킨 링(6-1)과, 이 링(6-1)의 내측에 일체적으로 설치된 임펠러(6-2)로 구성되어 있다. 회전자(6)는, 관로 중에 그 축심을 관로의 축심과 맞춰 설치되어 있으며(도 4 참조), 관로를 흐르는 냉온수의 수류를 받아 전체가 회전한다. 즉, 임펠러(6-2)와 일체가 되어, 링(6-1)이 회전한다. 도 2에서는, 편의상, 회전자(6)를 터빈(308)으로 하고, 발전부(306)와 분리하여 도시하고 있다.
고정자(7)에는, 코일이 감겨 있고, 이 코일을 고정자 권선으로 하여, 터빈(308)의 회전에 의해 발전되는 전력이 취출된다. 한편, 온도 센서(317)는, 고정자(7)에 감겨 있는 코일(고정자 권선)의 온도를 검출하고, 이 검출한 고정자 권선의 온도를 권선 온도(TR)로서 자극 위치 추정부(307)에 보낸다. 또한, 자극 위치 추정부(307)는, 인버터(305)로부터의 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 상전압값 및 상전류값과 온도 센서(317)로부터의 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 권선 온도(TR)에 기초하여, 링(6-1)에 편입된 영구자석의 자극의 위치를 터빈(308)의 자극 위치로서 추정한다.
전원부(309)는, 외부 전원(5)으로부터의 전력과, 축전부(311)에 축적되어 있는 축전 전력을 입력으로 하여, 터빈식 유량 제어 장치(3A) 내에서 사용되는 전력으로서 분배한다. 이 예에서는, 인버터(305)에의 전력을 주전원으로 하고, 데이터 통신부(301), 시스템 제어부(302), 유량 제어부(303), 발전부 제어부(304) 등에의 전력을 각 제어부 전원으로 한다.
전원부(309)는, 외부 전원(5)으로부터의 전력과 축전부(311)에 축적되어 있는 축전 전력을 합한 전력을 분배하지만, 축전부(311)에 축적되어 있는 축전 전력을 우선적으로 분배한다. 여기서, 축전부(311)에 축적되어 있는 축전 전력에서 부족이 발생하는 경우에는, 외부 전원(5)으로부터 공급되는 전력과 합한 전력을 분배하고, 축전부(311)에 축적되어 있는 축전 전력이 남는 경우에는, 그 남은 전력을 잉여 전력으로서 상용 전원 회생부(310)를 통해 상용 전원[이 예에서는, 외부 전원(5)]에 회생한다.
이 터빈식 유량 제어 장치(3A)에 있어서, 데이터 통신부(301), 시스템 제어부(302), 유량 제어부(303), 발전부 제어부(304), 인버터(305), 자극 위치 추정부(307), 전원부(309), 상용 전원 회생부(310) 등의 각부의 기능은, 프로세서, 기억 장치, 디지털 입출력 회로, 아날로그 입출력 회로, 파워 일렉트로닉스 회로 등으로 이루어지는 하드웨어와, 이들 하드웨어와 협동하여 각종 기능을 실현시키는 프로그램에 의해 실현된다. 또한, 이 터빈식 유량 제어 장치(3A)에서는, 데이터 통신부(301)와 시스템 제어부(302)로 설정 유량 입력부(300)가 구성되어 있다.
다음으로, 이 터빈식 유량 제어 장치(3A)에 있어서의 특징적인 동작에 대해 설명한다. 컨트롤러(4)로부터의 냉온수의 설정 유량(Qsp)이 변화하면, 즉 냉온수의 공급처의 부하 변동에 의해 냉온수의 설정 유량(Qsp)이 변화하면, 터빈식 유량 제어 장치(3A)는, 이 변화한 설정 유량(Qsp)을 데이터 통신부(301)로 수신하고, 데이터 통신부(301)는 그 수신한 설정 유량(Qsp)을 시스템 제어부(302)에 보낸다.
시스템 제어부(302)는, 설정 유량(Qsp)을 유량 설정값(Qsp)으로서 취출하여, 유량 제어부(303)에 보낸다. 유량 제어부(303)는, 발전부 제어부(304)로부터의 각속도값[터빈(308)의 현재의 각속도](ω) 및 토크값[발전부(306)의 현재의 토크](T)으로부터 무차원 유량 및 무차원 차압을 추정하고, 이 추정한 무차원 유량 및 무차원 차압으로부터 실제 유량(Q) 및 실제 차압(ΔP)을 추정한다. 그리고, 추정한 실제 유량(Q)이 유량 설정값(Qsp)에 일치되는 토크 설정값(Tsp)을 연산하여, 발전부 제어부(304)에 보낸다.
발전부 제어부(304)는, 유량 제어부(303)로부터의 토크 설정값(Tsp)을 받아, 발전부(306)의 토크가 토크 설정값(Tsp)이 되는 것과 같은 상전압 설정값을 연산하여, 인버터(305)에 보낸다. 인버터(305)는, 발전부 제어부(304)로부터의 상전압 설정값을 받아, 발전부(306)의 고정자 권선에 상전압 설정값을 상전압으로서 출력하고, 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 상전압값 및 상전류값을 발전부 제어부(304) 및 자극 위치 추정부(307)에 출력한다. 자극 위치 추정부(307)는, 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 상전압값 및 상전류값과 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 권선 온도(TR)에 기초하여 터빈(308)의 자극 위치를 추정하고, 그 추정한 터빈(308)의 자극 위치를 발전부 제어부(304)에 출력한다.
도 5 및 도 6에 유량 제어부(303)와 발전부 제어부(304)와 인버터(305)와 자극 위치 추정부(307)가 제휴하여 행하는 본 실시형태 특유의 처리 동작의 플로우차트를 도시한다. 이 처리 동작은, 터빈식 유량 제어 장치(3A)에 있어서의 프로세서[CPU(Central Processing Unit)]가 행한다.
먼저, CPU는, 터빈(308)을 아이들링 기계 각속도(ωar)로 강제적으로 회전시킨다(도 5: 단계 S101). 그리고, 아이들링 시간(Ta)의 경과 후(단계 S102의 예), 샘플링 시간(Ts)이 경과할 때마다(단계 S103의 예), 이하에 설명하는 단계 S104∼S110의 처리 동작을 반복한다.
CPU는, 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 U상의 상전압값(Vu) 및 상전류값(Iu)을 입력하고(단계 S104), 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 권선 온도(TR)를 입력한다(단계 S105). 그리고, 발전부(306)의 고정자 권선의 권선 저항(R)(기준 온도에서의 권선 저항)을 권선 온도(TR)로 온도 보정하고(단계 S106), 하기 (1)식에 의해 터빈(308)의 자극 위치를 추정한다(단계 S107).
Figure 112016031130582-pat00001
즉, 상기 (1)식에 의해 구해지는 θe(rad)를 터빈(308)의 전기 자극 위치 추정값으로 한다. 한편, (1)식에 있어서, L은 발전부(306)의 고정자 권선의 인덕턴스(권선 인덕턴스), Ke는 역기전압 상수를 나타낸다.
그리고, 하기 (2)식에 의해, 터빈(308)의 기계 각속도를 추정한다(단계 S108). 즉, 하기 (2)식에 의해 구해지는 ωr을 터빈(308)의 기계 각속도 추정값으로 한다. 한편, (2)식에 있어서, θbke(rad)는 전회의 전기 자극 위치 추정값이며, 초기값은 0으로 되어 있다.
Figure 112016031130582-pat00002
(극쌍수 P=1로 함)
CPU는, 이와 같이 하여 기계 각속도 추정값(ωr)을 구한 후, 이 기계 각속도 추정값(ωr)이 아이들링 기계 각속도(ωar)와 동일한지의 여부를 체크한다(단계 S109). 여기서, 기계 각속도 추정값(ωr)이 아이들링 기계 각속도(ωar)와 동일하지 않으면(단계 S109의 아니오), 단계 S107에서 구한 전기 자극 위치 추정값(θe)을 전회의 전기 자극 위치 추정값(θbke)으로 치환하고(단계 S110), 단계 S103으로 되돌아가며, 단계 S103∼S110의 처리 동작을 반복한다.
이 단계 S103∼S110의 처리 동작의 반복 중, 기계 각속도 추정값(ωr)이 아이들링 기계 각속도(ωar)와 동일해지면(단계 S109의 예), CPU는, 터빈(308)의 자극 위치의 추정값을 사용할 준비가 갖추어졌다고 판단하여, 아이들링 기계 각속도(ωar)로의 강제 구동을 해제하고(단계 S111), 유량 제어를 위한 토크 제어로 이행한다(도 6: 단계 S112).
이 유량 제어를 위한 토크 제어에 있어서, CPU는, 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 U상의 상전압값(Vu), 상전류값(Iu) 및 V상의 상전류값(Iv)을 입력하고(단계 S113), 토크 설정값(Tsp)을 입력하며(단계 S114), 발전부(306)의 고정자 권선의 현재의 권선 온도(TR)를 입력한다(단계 S115).
그리고, 발전부(306)의 고정자 권선의 권선 저항(R)을 권선 온도(TR)로 온도 보정하고(단계 S116), 하기 (3)식에 의해 터빈(308)의 자극 위치를 추정한다(단계 S117).
Figure 112016031130582-pat00003
즉, 단계 S107에서 사용한 (1)식에 있어서의 ωar을 ωr로 치환한 상기 (3)식을 이용하여, 터빈(308)의 전기 자극 위치 추정값[θe(rad)]을 구한다.
또한, 하기 (4)식에 의해, 터빈(308)의 기계 각속도를 추정한다(단계 S118). 즉, (2)식과 동일한 하기 (4)식을 이용하여, 터빈(308)의 기계 각속도 추정값(ωr)을 구한다.
Figure 112016031130582-pat00004
(극쌍수 P=1로 함)
그리고, CPU는, 이 구한 기계 각속도 추정값(ωr)으로부터 ωe=ωr/P로서 터빈(308)의 전기 각속도 추정값(ωe)을 구하고(단계 S119), 단계 S113에서 입력한 Iu, Iv, 단계 S117, S119에서 얻은 θe, ωe를 사용하여, 단계 S114에서 입력한 토크 설정값(Tsp)이 되도록 벡터 제어칙에 의해 발전부(306)의 고정자 권선에의 상전압을 제어한다(단계 S120).
그리고, CPU는, 단계 S117에서 구한 전기 자극 위치 추정값(θe)을 전회의 전기 자극 위치 추정값(θbke)으로 치환하고(단계 S121), 샘플링 시간(Ts)의 경과를 기다리며(단계 S122), 샘플링 시간(Ts)이 경과할 때마다(단계 S122의 예), 전술한 단계 S113∼S121의 처리 동작(센서리스 벡터 제어)을 반복한다. 이에 의해, 발전부(306)의 토크가 토크 설정값(Tsp)에 맞춰지고, 관로를 흐르는 냉온수의 실제 유량이 유량 설정값(Qsp)으로 조정되는 것이 된다.
전술한 단계 S101∼S122의 처리 동작은, 유량 제어부(303)와 발전부 제어부(304)와 인버터(305)와 자극 위치 추정부(307)가 제휴하여 행하는 처리 동작으로서 행해지는데, 단계 S104∼S107이나 단계 S113∼S117에서의 터빈(308)의 자극 위치의 추정을 자극 위치 추정부(307)가 분담한다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 밸브체가 아니라, 발전부(306)의 토크, 즉 터빈(308)의 회전 토크에 의해, 관로를 흐르는 유체의 유량이 제어되는 것이 된다. 이 때문에, 밸브체를 구동하는 경우와 같은 대전력을 필요로 하지 않아, 전력 절약화를 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 발전부(306)에서 발전된 전력은 축전부(311)에 축적되어, 축전 전력으로서 전원부(309)에 보내지고, 터빈식 유량 제어 장치(3) 내의 각부에서 사용된다. 이에 의해, 실제 유량을 제어할 때에, 열로서 버려지고 있던 에너지의 일부가 전기 에너지로서 회수되어, 터빈식 유량 제어 장치(3A)에서 재이용되는 것이 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 축전부(311)에 축적되어 있는 축전 전력이 남는 경우에는, 그 남은 전력을 잉여 전력으로서 상용 전원에 회생하도록 하고 있기 때문에, 터빈식 유량 제어 장치(3A) 내에서의 잉여 전력도 유효 이용되는 것이 된다. 예컨대, 잉여 전력을 센서나 컨트롤러 등 다른 장치에 공급하도록 하면, 종합적으로 에너지 절약에 공헌할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 터빈(308)과 발전부(306)로 이루어지는 「발전 장치」로 유량 제어와 발전의 양 기능을 실현할 수 있기 때문에, 즉 도 3에 도시된 터빈(308)[회전자(6)]과 고정자(7)로 이루어지는 「발전 장치」로 유량 제어와 발전의 양 기능을 실현할 수 있기 때문에, 특허문헌 3에 나타난 바와 같은 「밸브 장치」를 없애서, 구성 부품을 적게 하여, 소형화를 실현할 수 있다. 이에 의해, 현행의 유량 제어 밸브의 사이즈로 터빈식 유량 제어 장치를 구성하는 것이 가능해지며, 이미 설치한 유량 제어 밸브를 터빈식 유량 제어 장치로 치환하도록 하여 에너지 절약을 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는, 터빈(308)의 현재의 각속도(ω)와 발전부(306)의 현재의 토크값(T)으로부터 관로를 흐르고 있는 냉온수의 실제 유량을 추정하고, 이 추정되는 실제 유량이 유량 설정값(Qsp)에 일치하도록 발전부(306)의 토크를 제어하기 때문에, 고가의 압력 센서나 유량 센서 등의 센서류를 배제하는 것이 가능해져, 비용 상승을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시형태에서는, 발전부(306)의 토크를 제어할 때, 유량 제어부(303)가 연산한 토크와 터빈(308)의 자극 위치가 이용되는데, 이 터빈(308)의 자극 위치는 자극 위치 추정부(307)에 있어서 추정된다. 즉, 본 실시형태에서는, 위치 센서를 사용하여 터빈(308)의 자극 위치를 검출하는 것이 아니라, 위치 센서를 사용하지 않고 터빈(308)의 자극 위치를 추정한다. 위치 센서를 사용하는 것으로 한 경우, 위치 센서는 배관에 직접 계장되게 되기 때문에, 설치 환경으로서는 열악한 상황에 있어, 장기간의 신뢰성의 면에서 문제가 된다. 이에 비해, 본 실시형태에서는, 위치 센서를 사용하지 않고 터빈(308)의 자극 위치를 추정하기 때문에, 위치 센서를 사용할 수 없는 열악한 환경에서도 터빈의 자극 위치를 알 수 있다. 이에 의해, 위치 센서를 없애고, 장기간의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
〔터빈식 유량 제어 장치: 실시형태 2〕
실시형태 1의 터빈식 유량 제어 장치(3A)에서는, 컨트롤러(4)와의 사이를 유선으로 접속하도록 하였으나, 컨트롤러(4)와의 사이를 무선으로 접속하도록 해도 좋다. 도 7에 컨트롤러(4)와의 사이를 무선으로 접속하도록 한 터빈식 유량 제어 장치[3(3B)]의 주요부의 구성을 실시형태 2로서 도시한다.
도 7에 있어서, 도 2와 동일 부호는 도 2를 참조하여 설명한 구성 요소와 동일 혹은 동등한 구성 요소를 나타내며, 그 설명은 생략한다. 이 터빈식 유량 제어 장치(3B)에서는, 데이터 통신부(301)를 대신하여 와이어리스 데이터 통신부(312)를 설치하고, 안테나(313)를 통해 컨트롤러(4)와의 사이의 데이터의 송수신을 무선으로 행하도록 하고 있다.
한편, 이 터빈식 유량 제어 장치(3B)에서는, 와이어리스 데이터 통신부(312)와 시스템 제어부(302)로 설정 유량 입력부(300)가 구성되어 있다.
〔터빈식 유량 제어 장치: 실시형태 3〕
실시형태 1의 터빈식 유량 제어 장치(3A)에서는, 외부 전원(5)과의 사이를 유선으로 접속하도록 하였으나, 외부 전원(5)과의 사이를 무선으로 접속하도록 해도 좋다. 도 8에 외부 전원(5)과의 사이를 무선으로 접속하도록 한 터빈식 유량 제어 장치[3(3C)]의 주요부의 구성을 실시형태 3으로서 도시한다.
도 8에 있어서, 도 2와 동일 부호는 도 2를 참조하여 설명한 구성 요소와 동일 혹은 동등한 구성 요소를 나타내며, 그 설명은 생략한다. 이 터빈식 유량 제어 장치(3C)에서는, 상용 전원 회생부(310)를 대신하여 와이어리스 송수전부(314)를 설치하고, 외부 전원(5)으로부터의 전력을 안테나(315)를 통해 무선으로 받아 전원부(309)에 보내도록 하며, 전원부(309)로부터의 잉여 전력을 안테나(315)를 통해 무선으로 상용 전원[이 예에서는, 외부 전원(5)]에 회생하도록 하고 있다.
〔터빈식 유량 제어 장치: 실시형태 4〕
실시형태 1의 터빈식 유량 제어 장치(3A)에서는, 컨트롤러(4)와의 사이 및 외부 전원(5)과의 사이를 모두 유선으로 접속하도록 하였으나, 컨트롤러(4)와의 사이 및 외부 전원(5)과의 사이를 모두 무선으로 접속하도록 해도 좋다. 도 9에 컨트롤러(4)와의 사이 및 외부 전원(5)과의 사이를 모두 무선으로 접속하도록 한 터빈식 유량 제어 장치[3(3D)]의 주요부의 구성을 실시형태 4로서 도시한다.
도 9에 있어서, 도 2와 동일 부호는 도 2를 참조하여 설명한 구성 요소와 동일 혹은 동등한 구성 요소를 나타내며, 그 설명은 생략한다. 이 터빈식 유량 제어 장치(3D)에서는, 데이터 통신부(301)를 대신하여 와이어리스 데이터 통신부(312)를 설치하고, 안테나(316)를 통해 컨트롤러(4)와의 사이의 데이터의 송수신을 무선으로 행하도록 하고 있다. 또한, 상용 전원 회생부(310)를 대신하여 와이어리스 송수전부(314)를 설치하고, 외부 전원(5)으로부터의 전력을 안테나(316)를 통해 무선으로 받아 전원부(309)에 보내도록 하며, 전원부(309)로부터의 잉여 전력을 안테나(316)를 통해 무선으로 상용 전원[이 예에서는, 외부 전원(5)]에 회생하도록 하고 있다.
이 터빈식 유량 제어 장치(3D)에서는, 컨트롤러(4)와의 사이 및 외부 전원(5)과의 사이를 모두 무선으로 접속하도록 하고 있기 때문에, 터빈식 유량 제어 장치(3D)에의 배선을 전부 없앨 수 있다. 이에 의해, 배선 재료의 철폐, 시공성/메인터넌스성 향상에의 공헌, 배선 공정수의 철폐, 열악한 환경에서의 작업 공정수의 저감, 기설(旣設) 건물의 추가 계장에서의 작업 공정수의 저감 등, 와이어리스화에 의한 환경 부하 저감에의 공헌을 기대할 수 있다.
한편, 외부 전원(5)과의 사이를 무선으로 접속할 수 있는 것은, 터빈식 유량 제어 장치(3D)를 외부 전원(5)으로부터의 전력과 발전부(306)에서 발전된 전력을 사용하는 하이브리드형으로 함으로써, 외부 전원(5)으로부터의 전력의 공급량이 적어도 되는 것에 의한다
종래의 유량 제어 밸브(밸브체를 사용한 밸브)에 있어서, 배터리를 이용함으로써 완전 와이어리스화하는 것이 고려되지만, 배터리로의 유량 제어 밸브의 장기간 구동을 실현할 수 없기 때문에 곤란하다고 판단되고 있었다. 즉, 제어 회로, 통신 회로의 저소비전력화, 통신 빈도의 저주기화, 배터리의 고밀도 전력화 등, 여러 가지 문제를 해결하지 않으면 안 되어, 종래의 유량 제어 밸브에서의 완전 와이어리스화는 곤란하였다.
이에 비해, 본 실시형태에서는, 외부로부터의 전력과 내부에서 발전된 전력의 하이브리드형으로 함으로써, 지금까지 곤란하다고 여겨지고 있던 유량 제어 밸브의 완전 와이어리스화를 실현할 수 있어, 지금까지 없던 획기적인 장치라고 말할 수 있다. 본 발명에서는, 밸브체를 이용하지 않기 때문에, 유량 제어 밸브가 아니라, 터빈식 유량 제어 장치라고 부르고 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 내부에서 발전된 전력으로 자신의 가동을 전부 조달할 수 있으면, 터빈식 유량 제어 장치에의 외부로부터의 전력의 공급을 철폐하여, 완전 와이어리스화를 실현하는 것이 가능해진다.
한편, 전술한 실시형태는, 공조 제어 시스템에 이용한 예로서 설명하였으나, 공조 제어 시스템에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이며, 각종의 유량 제어의 애플리케이션에 적용할 수 있고, 나아가서는 일반 산업 기기까지도 확대하여 적용할 수 있다. 또한, 유량을 제어하는 유체도 냉온수 등의 액체에 한정되는 것은 아니며, 가스 등의 기체여도 상관없다.
〔실시형태의 확장〕
이상, 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 구성이나 상세에는, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 당업자가 이해할 수 있는 여러 가지 변경을 할 수 있다.
1: 제어 대상 공간 2: 공조기(FCU)
3(3A∼3D): 터빈식 유량 제어 장치 4: 공조 제어 장치(컨트롤러)
LS: 급수 관로 6: 회전자
6-1: 링 6-2: 임펠러
7: 고정자 300: 설정 유량 입력부
301: 데이터 통신부 302: 시스템 제어부
303: 유량 제어부 304: 발전부 제어부
305: 인버터 306: 발전부
307: 자극 위치 추정부 308: 터빈
309: 전원부 310: 상용 전원 회생부
311: 축전부 312: 와이어리스 데이터 통신부
314: 와이어리스 송수전부 313, 315, 316: 안테나
317: 온도 센서

Claims (3)

  1. 유로를 흐르는 유체의 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하는 터빈과,
    상기 터빈이 변환한 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부와,
    상기 유체의 공급처의 부하 변동에 의해 그 값이 변화하는 설정 유량을 입력하는 설정 유량 입력부와,
    상기 터빈의 현재의 각속도와 상기 발전부의 현재의 토크로부터 상기 유로를 흐르고 있는 유체의 실제 유량을 추정하고, 이 추정되는 실제 유량이 상기 설정 유량에 일치되는 상기 발전부의 토크를 연산하는 유량 제어부와,
    상기 터빈에 편입된 자석의 자극(磁極)의 위치를 상기 터빈의 자극 위치로서 추정하는 자극 위치 추정부와,
    상기 유량 제어부가 연산한 토크 및 상기 자극 위치 추정부가 추정한 상기 터빈의 자극 위치에 기초하여 상기 발전부의 토크를 제어하는 발전부 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈식 유량 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자극 위치 추정부는, 상기 발전부의 현재의 상전압값 및 상전류값과 상기 발전부의 현재의 권선의 온도에 기초하여 상기 터빈의 자극 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 터빈식 유량 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발전부 제어부로부터 상전압 설정값을 입력하여 상기 발전부에 상전압을 출력하고, 상기 발전부 제어부와 상기 자극 위치 추정부에 각각 상기 발전부의 현재의 상전압값 및 상전류값을 출력하는 인버터를 구비하는 것을 특징으로 하는 터빈식 유량 제어 장치.
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