KR101991679B1 - 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법에 관한 것으로, 그 목적은 유량센서를 설치하지 않고, 펌프의 유량-동력 곡선과 유량-양정 곡선을 이용하여 유량을 검출하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 부스터펌프시스템이 작동하는 과정에서, 전동기의 회전속도와 출력동력을 연산하는 단계; 흡입압력센서에서 검출되는 흡입압력과 토출압력센서에서 검출되는 토출압력으로부터 펌프의 전양정을 연산하는 단계(S20); 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도와 출력동력 및 미리 확보된 유량-동력 곡선을 이용하여 제1추정유량을 검출하는 단계(S30); 상기 S30 단계에서 검출된 제1추정유량과 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도와 미리 확보된 유량-양정 곡선을 이용하여 추정양정을 검출하는 단계(S40); 상기 S30 단계에서 연산된 전양정과 상기 S40 단계에서 검출된 추정양정을 비교하여 추정양정이 전양정과 같거나 큰지 판단하는 단계(S50); 상기 S50 단계의 판단결과 추정양정이 전양정과 같거나 크면, 전양정과 전동기 회전속도 및 유량-양정 곡선을 이용하여 제2추정유량을 검출하는 단계(S60); 및 상기 제1추정유량과 제2추정유량의 평균값을 토출유량으로 검출하는 단계(S70);로 이루어진 것을 특징으로 하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법을 제공한다.

Description

부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법{Sensorless flow detection method of booster pump system}
본 발명은 유량센서의 사용 없이 부스터펌프시스템의 유량을 검출하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펌프의 유량-동력 곡선과 유량-양정 곡선을 이용하여 부스터펌프시스템의 유량을 검출하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법에 관한 것이다.
일반적으로 부스터펌프라 함은 필요한 수압을 얻기 위한 부족분을 보상하도록 급수 설비나 초고층 건물 등에 설치되는 펌프로서, 단독으로 사용될 수도 있으나, 주로 다수의 펌프를 병렬 구조로 연결한 것으로 이루어진 부스터펌프시스템이 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 부스터펌프시스템의 구조도를 도시하고 있다.
부스터펌프시스템은 병렬구조로 배치된 다수의 펌프모듈(10)과, 상기 각 펌프모듈(10)의 흡입관(20)과 연결되는 흡입합류관(30)과, 상기 각 펌프모듈(10)의 토출관(40)에 연결되는 토출합류관(50)과, 상기 각 토출관(40)에 설치되어 토출유체가 토출관(40)을 통해 역류하는 것을 방지하는 체크밸브(41)와, 상기 각 흡입관(20)에 설치되어 흡입관(13)의 유로를 단속하는 제1차단밸브(21)와, 상기 각 토출관(40)에 설치되어 토출관(40)의 유로를 단속하는 제2차단밸브(42)와, 상기 흡입합류관(30)에 설치되어 흡입유체의 압력을 검출하는 흡입압력센서(31)와, 상기 토출합류관(50)에 설치되어 토출유체의 압력을 검출하는 토출압력센서(51)로 구성된다.
이러한 부스터펌프시스템을 제어함에 있어서, 일정한 양정으로 가동되도록 펌프를 회전수 제어할 때에는 토출압력센서(51)에서 검출되는 값을 바탕으로 일정한 양정을 유지하는 것이 가능하다. 즉, 토출압력센서(51)의 검출값과 설정압력값을 비교하고, 그 결과에 따라 검출값이 설정압력값 보다 낮으면 펌프의 회전수를 높이고, 검출값이 설정압력값 보다 높으면 펌프의 회전수를 낮춤으로써 일정한 양정의 유지가 가능하다.
그러나, 상기와 같은 방식은 유량과는 무관하게 압력을 바탕으로 펌프의 회전수를 제어하는 것이므로, 부스터펌프시스템이 공급한 유량을 계산하는 것은 불가능하다.
한편, 일반적인 펌프에서와 같이, 유량센서를 사용하지 않고 유량-양정 곡선을 이용하여 유량을 검출할 수도 있으나, 이러한 유량-양정 곡선을 이용한 방법은 여러 대의 펌프가 병렬구조로 배치되고, 각 펌프의 토출관에 체크밸브가 설치된 부스터펌프시스템에서는 정확한 유량을 검출할 수 없다.
즉, 부스터펌프시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 토출합류관(50)에 토출압력센서(51)가 설치되므로, 체크밸브(41)로 인한 펌프의 전양정의 왜곡이 발생하게 되며, 이러한 압력정보의 왜곡은 유량 추정치의 오차로 고스란히 반영됨에 따라 부스터펌프시스템의 경우, 유량-양정 곡선을 이용한 유량검출방법은 적용할 수 없는 문제점이 있다.
물론, 체크밸브로 인한 압력정보의 왜곡을 보정하기 위해서 각 펌프의 토출관에 압력센서를 설치할 수도 있지만, 이 경우 여러 압력센서의 추가로 인하여 시스템의 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2017-0120330호(2017.10.31.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 유량센서를 설치하지 않고, 펌프의 유량-동력 곡선과 유량-양정 곡선을 이용하여 유량을 검출하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 인버터와 전동기 및 펌프로 이루어지며 병렬구조로 배치된 다수의 펌프모듈과, 상기 각 펌프의 흡입관과 연결되는 흡입합류관과, 상기 각 펌프의 토출관에 연결되는 토출합류관과, 상기 각 토출관에 설치된 체크밸브와, 상기 각 흡입관에 설치되어 흡입관의 유로를 단속하는 제1차단밸브와, 상기 각 토출관에 설치된 제2차단밸브와, 상기 흡입합류관에 설치되어 흡입유체의 압력을 검출하는 흡입압력센서와, 상기 토출합류관에 설치되어 토출유체의 압력을 검출하는 토출압력센서를 포함하는 부스터펌프시스템이 작동하는 과정에서, 상기 전동기의 회전속도와 출력동력을 연산하는 단계; 상기 흡입압력센서에서 검출되는 흡입압력과 상기 토출압력센서에서 검출되는 토출압력으로부터 펌프의 전양정을 연산하는 단계(S20); 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도와 출력동력 및 미리 확보된 유량-동력 곡선을 이용하여 제1추정유량을 검출하는 단계(S30); 상기 S30 단계에서 검출된 제1추정유량과 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도와 미리 확보된 유량-양정 곡선을 이용하여 추정양정을 검출하는 단계(S40); 상기 S30 단계에서 연산된 전양정과 상기 S40 단계에서 검출된 추정양정을 비교하여 추정양정이 전양정과 같거나 큰지 판단하는 단계(S50); 상기 S50 단계의 판단결과 추정양정이 전양정과 같거나 크면, 전양정과 전동기 회전속도 및 유량-양정 곡선을 이용하여 제2추정유량을 검출하는 단계(S60); 및 상기 제1추정유량과 제2추정유량의 평균값을 토출유량으로 검출하는 단계(S70);로 이루어진 것을 특징으로 하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법을 제공한다.
한편 상기 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법에 있어서, 상기 S50 단계의 판단결과 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal) 보다 작으면, 체크밸브(41)에 의해 유량이 흐르지 않으므로 유량을 0으로 검출하는 단계(S80);가 더 포함될 수 있다.
한편 상기 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법에 있어서, 상기 각 펌프모듈의 인버터는 상기 S10 단계 내지 S70 단계를 통해 해당 펌프모듈에 구비된 펌프의 유량을 각각 검출하고, 검출된 각 펌프의 유량 정보를 인버터 간의 통신을 통해 취합하여 부스터펌프시스템의 전체 유량을 검출할 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 펌프의 토출압력에 대한 추가적인 정보가 필요하지 않으며, 유량-동력 곡선 및 유량-양정 곡선을 이용하여 서로 보완하는 방식으로 부스터펌프시스템의 유량을 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 일반적인 부스터펌프시스템의 구조도,
도 2 는 본 발명에 따른 유량검출방법의 설명을 위한 인버터의 상세구조를 나타낸 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 유량검출방법의 순서도,
도 4 는 회전속도와 출력동력을 이용하여 유량-동력 곡선에서 제1추정유량을 검출하는 과정을 보인 예시도,
도 5 는 제1추정유량과 회전속도를 이용하여 유량-양정 곡선에서 추정양정을 검출하는 과정을 보인 예시도,
도 6 은 전양정과 회전속도를 이용하여 유량-양정 곡선에서 제2추정유량을 검출하는 과정을 보인 예시도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 유량검출방법의 설명을 위한 인버터의 상세구조를 나타낸 구조도를, 도 3은 본 발명에 따른 유량검출방법의 순서도를, 도 4는 회전속도와 출력동력을 이용하여 유량-동력 곡선에서 제1추정유량을 검출하는 과정을 보인 예시도를, 도 5는 제1추정유량과 회전속도를 이용하여 유량-양정 곡선에서 추정양정을 검출하는 과정을 보인 예시도를, 도 6은 전양정과 회전속도를 이용하여 유량-양정 곡선에서 제2추정유량을 검출하는 과정을 보인 예시도를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법을 설명하기에 앞서 부스터펌프시스템의 구조에 대해 설명하도록 한다.
한편, 부스터펌프시스템의 전체적인 구조는 도 1을 참조하여 설명된 종래의 부스터펌프시스템과 동일하므로, 도 1 및 2를 참조하여 부스터펌프시스템의 구조에 대해 설명하도록 한다.
부스터펌프시스템은, 인버터(110)와 전동기(130) 및 펌프(150)로 이루어지며 병렬구조로 배치된 다수의 펌프모듈(10)과, 상기 각 펌프(150)의 흡입관(20)과 연결되는 흡입합류관(30)과, 상기 각 펌프(150)의 토출관(40)에 연결되는 토출합류관(50)과, 상기 각 토출관(40)에 설치된 체크밸브(41)와, 상기 각 흡입관(20)에 설치되어 흡입관(20)의 유로를 단속하는 제1차단밸브(21)와, 상기 각 토출관(40)에 설치된 제2차단밸브(42)와, 상기 흡입합류관(30)에 설치되어 흡입유체의 압력을 검출하는 흡입압력센서(31)와, 상기 토출합류관(50)에 설치되어 토출유체의 압력을 검출하는 토출압력센서(51)를 포함하는 것으로 이루어진다.
한편, 상기 다수의 펌프모듈(10)에 구비된 인버터(110)는 통신선로에 의해 서로 연결되어 운전 정보를 교환하도록 구성되며, 다수의 인버터(110) 중 어느 하나의 인버터(110)는 전체 시스템을 제어하는 마스터 개별 인버터로 지정되고, 나머지 인버터(110)는 마스터 개별 인버터에 의해 회전수가 제어되는 슬레이브 인버터로 지정될 수 있다.
또한, 각각의 인버터(110)는 3상 입력전원(1)에서 교류 전원을 공급받아 가변전압-가변주파수로 변환시키는 파워모듈(111)과, 상기 파워모듈(111)의 정류부(1111)에서 정류된 직류전원을 평활하는 평활용 커패시터(112)와, 상기 평활용 커패시터(112)에 의해 평활된 직류전압을 검출하는 전압센서(113)와, 상기 파워모듈(111)로부터 나오는 출력전류를 검출하는 전류센서(114)와, 상기 전류센서(114)에서 검출된 3상 전류정보(ias,ibs,ics)를 2상 전류정보(ids,iqs)로 변환하는 3상/2상 변환기(115)와, 지령압력(Href)와 토출압력(Hreal)을 이용하여 속도지령(nref)을 발생시키는 PID 제어기(116)와, 상기 PID 제어기(116)에서 발생되는 속도지령(nref)에 따라 인버터(110)의 출력전압(Vs ds,Vs qs)을 결정하는 V/f 제어기(117)와, 상기 V/f 제어기(117)에서 결정된 출력전압(Vs ds,Vs qs) 및 전압센서(113)에서 검출되는 직류전압(Vdc)에 기초하여 인버터부(1112)를 제어하는 신호를 발생하는 PWM 발생기(118)와, 상기 PID 제어기(116)에서 발생되는 속도지령(nref)과 3상/2상 변환기(115)에서 변환되는 2상 전류정보(ids,iqs)를 이용하여 전동기(130)의 회전속도(nest)와 출력동력(Pest)을 연산하는 속도 및 출력 추정기(119)와, 상기 속도 및 출력 추정기(119)에서 연산된 회전속도(nest)와 출력동력(Pest) 및 압력센서(51,31)에 의해 검출되는 토출압력(Hreal)과 흡입압력(Hin)을 이용하여 펌프(150)의 유량(Qest)을 추정하는 유량 추정기(120)로 구성된다.
한편, 상기 파워모듈(111)은 교류전원을 직류 전원으로 변환시키는 정류부(1111)와, 상기 PWM 발생기(118)로부터 신호를 받아 평활된 직류 전원을 가변 주파수-가변 전압의 교류전원으로 변환시키는 인버터부(1112)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 부스터펌프시스템이 작동하는 과정에서 유량센서를 이용하지 않고 유량을 검출하는 본 발명에 따른 유량검출방법은 전동기(130)의 회전속도(nest)와 출력동력(Pest)을 연산하는 단계(S10); 상기 흡입압력센서(31)에서 검출되는 흡입압력(Hin)과 상기 토출압력센서(51)에서 검출되는 토출압력(Hreal)으로부터 펌프(150)의 전양정(Htotal)을 연산하는 단계(S20); 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도(nest)와 출력동력(Pest) 및 미리 확보된 유량-동력 곡선을 이용하여 제1추정유량(QP-Q_est)을 검출하는 단계(S30); 상기 S30 단계에서 검출된 제1추정유량(QP-Q_est)과 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도(nest)와 미리 확보된 유량-양정 곡선을 이용하여 추정양정(Hest)을 검출하는 단계(S40); 상기 S30 단계에서 연산된 전양정(Htotal)과 상기 S40 단계에서 검출된 추정양정(Hest)을 비교하여 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal)과 같거나 큰지 판단하는 단계(S50); 상기 S50 단계의 판단결과 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal)과 같거나 크면, 전양정(Htotal)과 전동기 회전속도(nest) 및 유량-양정 곡선을 이용하여 제2추정유량(QH-Q_est)을 검출하는 단계(S60); 및 상기 제1추정유량(QP-Q_est)과 제2추정유량(QH-Q_est)의 평균값을 토출유량(Qest)으로 검출하는 단계(S70);로 이루어진다.
상기 S10 단계는 인버터(110)에 구비된 속도 및 출력 추정기(119)가 전동기(130)의 회전속도(nest)와 출력동력(Pest)을 연산하는 것으로 이루어진다.
한편, 상기 속도 및 출력 추정기(119)는 하기 수학식 1을 이용하여 전동기(130)의 회전속도(nest)를 연산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019038995312-pat00001
다음으로, 속도 및 출력 추정기(119)는 하기 수학식 2를 이용하여 전동기(130)의 출력동력(Pest)을 연산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019038995312-pat00002
상기 S20 단계는 인버터(110)에 구비된 유량 추정기(120)가 흡입압력(Hin) 및 토출압력(Hreal)을 이용하여 펌프(150)의 전양정(Htotal)을 연산하는 것으로 이루어진다.
한편, 상기 유량 추정기(120)는 하기 수학식 3을 이용하여 전동기(130)의 전양정(Htotal)을 연산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019038995312-pat00003
상기 S30 단계는 S10 단계에서 연산된 회전속도(nest)와 출력동력(Pest) 그리고 사전 실험 및 측정을 통해 획득되어 미리 입력된 유량-동력 곡선을 이용하여 유량 추정기(120)가 제1추정유량(QP-Q_est)을 검출하는 것으로 이루어지게 된다.
상기 S40 단계는 제1추정유량(QP-Q_est)과 회전속도(nest) 그리고 사전 실험 및 측정을 통해 획득되어 미리 입력된 유량-양정 곡선을 이용하여 유량 추정기(120)가 추정양정(Hest)을 검출하는 것으로 이루어지게 된다.
상기 S50 단계는 S30 단계에서 연산된 전양정(Htotal)과 S40 단계에서 검출된 추정양정(Hest)을 비교하는 공정으로, 유량 추정기(120)가 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal)과 같거나 큰지 판단하는 것으로 이루어지게 된다.
상기 S60 단계는 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal)과 같거나 큰 것으로 판단된 경우 실행되는 단계로서, 전양정(Htotal)과 회전속도(nest) 및 유량-양정 곡선을 이용하여 유량 추정기(120)가 제2추정유량(QH-Q_est)을 검출하는 것으로 이루어지게 된다.
상기 S70 단계는 유량 추정기(120)가 제1추정유량(QP-Q_est)과 제2추정유량(QH-Q_est)의 평균값을 토출유량(Qest)으로 검출하는 것으로 이루어진다.
한편, 상기 S50 단계에서 이루어진 판단 결과, 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal) 보다 작은 경우에는 체크밸브(41)에 의해 유량이 흐르지 못하게 되므로 유량 추정기(120)는 유량을 0으로 검출하게 된다.
이와 같은 S10 단계 내지 S80 단계는 각각 펌프모듈(10)에 구비된 인버터(110)에 의해 실행되어 각 펌프(150)의 유량을 검출하게 되며, 검출된 각 펌프(150)의 유량 정보를 인버터(110) 간의 통신을 통해 취합하여 부스터펌프시스템의 전체 유량을 검출하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 펌프모듈 20: 흡입관
21: 제1차단밸브 30: 흡입합류관
31: 흡입압력센서 40: 토출관
41: 체크밸브 42: 제2차단밸브
50: 토출합류관 51: 토출압력센서
110: 인버터 111: 파워모듈
1111: 정류부 1112: 인버터부
112: 평활용 커패시터 113: 전압센서
114: 전류센서 115: 3상/2상 변환기
116: PID 제어기 117: V/f 제어기
118: PWM 발생기 119: 속도 및 출력 추정기
120: 유량 추정기 130: 전동기
150: 펌프

Claims (3)

  1. 인버터(110)와 전동기(130) 및 펌프(150)로 이루어지며 병렬구조로 배치된 다수의 펌프모듈(10)과, 상기 각 펌프(150)의 흡입관(20)과 연결되는 흡입합류관(30)과, 상기 각 펌프(150)의 토출관(40)에 연결되는 토출합류관(50)과, 상기 각 토출관(40)에 설치된 체크밸브(41)와, 상기 각 흡입관(20)에 설치되어 흡입관(20)의 유로를 단속하는 제1차단밸브(21)와, 상기 각 토출관(40)에 설치된 제2차단밸브(42)와, 상기 흡입합류관(30)에 설치되어 흡입유체의 압력을 검출하는 흡입압력센서(31)와, 상기 토출합류관(50)에 설치되어 토출유체의 압력을 검출하는 토출압력센서(51)를 포함하는 부스터펌프시스템이 작동하는 과정에서,
    상기 전동기(130)의 회전속도(nest)와 출력동력(Pest)을 연산하는 단계(S10);
    상기 흡입압력센서(31)에서 검출되는 흡입압력(Hin)과 상기 토출압력센서(51)에서 검출되는 토출압력(Hreal)으로부터 펌프(150)의 전양정(Htotal)을 연산하는 단계(S20);
    상기 S10 단계에서 연산된 회전속도(nest)와 출력동력(Pest) 및 미리 확보된 유량-동력 곡선을 이용하여 제1추정유량(QP-Q_est)을 검출하는 단계(S30);
    상기 S30 단계에서 검출된 제1추정유량(QP-Q_est)과 상기 S10 단계에서 연산된 회전속도(nest)와 미리 확보된 유량-양정 곡선을 이용하여 추정양정(Hest)을 검출하는 단계(S40);
    상기 S30 단계에서 연산된 전양정(Htotal)과 상기 S40 단계에서 검출된 추정양정(Hest)을 비교하여 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal)과 같거나 큰지 판단하는 단계(S50);
    상기 S50 단계의 판단결과 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal)과 같거나 크면, 전양정(Htotal)과 전동기 회전속도(nest) 및 유량-양정 곡선을 이용하여 제2추정유량(QH-Q_est)을 검출하는 단계(S60); 및
    상기 제1추정유량(QP-Q_est)과 제2추정유량(QH-Q_est)의 평균값을 토출유량(Qest)으로 검출하는 단계(S70);로 이루어진 것을 특징으로 하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 S50 단계의 판단결과 추정양정(Hest)이 전양정(Htotal) 보다 작으면, 체크밸브(41)에 의해 유량이 흐르지 않으므로 유량을 0으로 검출하는 단계(S80);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 펌프모듈(10)의 인버터(110)는 상기 S10 단계 내지 S70 단계를 통해 해당 펌프모듈(10)에 구비된 펌프(150)의 유량을 각각 검출하고, 검출된 각 펌프(150)의 유량 정보를 인버터(110) 간의 통신을 통해 취합하여 부스터펌프시스템의 전체 유량을 검출하는 것을 특징으로 하는 부스터펌프시스템의 센서리스 유량검출방법.
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