KR101993758B1 - 압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부 되던 센서의 구성을 없애고, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 토출 유량 변화에 따라 펌프의 회전속도를 가변하여 센서 없이 필요한 유량만큼 토출 되도록 펌프를 자동 제어함으로써 전력을 크게 절감할 수 있도록 한 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터에 관한 것으로, 사용자가 펌프를 구동하기 원하는 양정 및 유량지점에서 측정된 주파수에 따른 소비전력이 기록된 펌프 운전 기준 데이터; 상기 펌프 운전 기준 데이터를 기준으로 구동부에서 출력되는 펌프의 축동력을 입력 받아 축동력에 따른 펌프의 회전속도인 회전주파수를 결정하는 운전 RPM 추정부; 구동부의 출력을 피드백 받아 펌프의 운전 속도를 추정하는 RPM 판단부; 상기 운전 RPM 추정부의 출력과 RPM 판단부의 오차에 따라 상기 펌프의 운전 RPM을 결정하는 PID제어부; 상기 PID제어부의 출력을 입력 받아 상기 펌프를 구동하는 구동부를 포함한다.

Description

압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터{Inverter for pumps applying pressure sensorless algorithm}

본 발명은 펌프 구동용 인버터에 의한 펌프 운전 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 펌프는 구동원동기로부터 기계적 에너지를 받고 이 에너지를 취급 유체에 전달하여, 유체의 압력작용을 이용하여 관을 통하여 유체를 수송하는 기계이다.

구동원동기로서는 일반적으로 전동기, 내연기관 및 증기터빈이 있다.

전동기는 전원종류에 의해 직류전동기와 교류전동기로 대별되고, 교류전동기는 다시 유도전동기, 동기전동기, 정류자전동기로 구분된다. 일반적으로 펌프구동용으로서 많이 사용되는 전동기는 유도전동기이다.

근래 에너지 절감을 위해 일정한 속도로 연속 운전해오던 펌프를 가변속하는 사례가 증가하고 있다. 실제 펌프의 유량 및 압력이 필요할 때 펌프가 운전하고, 불필요할 때 펌프를 정지하는 제어를 한다.

유도전동기의 경우 가변속을 하기 위해서 필요한 것이 유도전동기의 극수변경 혹은 투입되는 전원의 주파수를 변경하여 가변속을 할 수 있다. 극수를 변경하는 것은 유도전동기의 물리적인 부분이라 운전 중에 변경을 할 수가 없으며, 투입되는 상용 전원의 주파수 변경 또한 불가능 하다. 따라서 전원 및 주파수를 변경하는 인버터를 설치하여 펌프의 가변속을 할 수 있다.

인버터는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치로, 직류로부터 원하는 크기의 전압 및 주파수를 갖는 교류를 만들 수 있으므로 유도 전동기의 속도를 가변속을 할 수 있다.

펌프의 운전 속도를 제어하기 위해서 압력센서를 사용하여 피드백 되는 신호를 설정된 압력과 비교 판단 후 지령 속도를 제공하는 과정이 필요하다.

종래의 인버터를 이용한 펌프구동 시스템을 도 1을 참조하여 살펴본다.

먼저, 순환펌프(50)와 연결되는 배관에 설치된 압력센서(70)로부터 유량의 압력을 검출하고, 이 압력신호를 제3 LPF(Low Pass Filter:저역통과필터)(80)를 통해 기준압력과 비교 판단하여 조정된 압력값을 제1 PID(Proportional Integral Derivative)제어부(90)를 통해 운전 속도 지령으로 제공된다.

그 기준 값으로 제1 LPF(10)를 통해 제1 PID제어부(20)에 입력되고, 상기 제1 PID제어부(20)의 제어 출력이 PWM제어부(30) 및 구동부(40)를 통해 순환펌프(50)로 인가되어 순환펌프(50)는 구동되고, 상기 구동부(40)의 출력전류는 제2 LPF(60)를 통해 상기 제1 PID제어부(20)로 피드백되어 상기 순환펌프(50)를 안정적으로 동작시켜준다.

따라서 상기 제1 PID제어부(20)는 상기 제1 PID제어부(90)로부터 입력된 압력 값을 변수로 하여 순환펌프(50)를 유효 적절하게 구동하게 된다.

이와 같은 압력센서가 있는 인버터방식의 순환펌프 구동의 일례를 알아본다.

종래, 빌딩 공조기의 열교환기 코일에는 냉/온수를 공급하는 냉/온수 순환펌프가 설치된다.

이는 도 2와 같이 열교환기로부터 받은 온수를 순환 펌프부를 통하여 여러 공조기로 온수를 공급한다. 공조기 쪽의 밸브의 상태에 따라 순환펌프의 부하는 변화하게 된다. 따라서 펌프의 변화된 흡입압력과 필요한 토출측의 압력을 측정하여 필요한 압력을 공급하여야 한다. 인버터는 가변속을 하여 필요한 토출측 압력 및 유량을 공급한다.

이와 같이 인버터 펌프의 압력 센서는 가변속을 하기 위한 핵심적인 역할을 한다. 그런 센서의 고장에 의한 가변속 불가, 설치 및 배선공사가 필요할 뿐 아니라 보정작업까지 진행해야 되는 어려움과 주변 전자기 노이즈의 영향 및 고정밀의 센서의 경우 제품의 가격상승의 요인을 가지고 있다.

또한 기 개발된 압력센서리스 인버터의 경우 사용하고자 하는 펌프의 정보를 제품 생산할 때 인버터 내부에 저장하여 생산을 한다. 따라서 사용 하고자 하는 그 펌프의 정보를 측정하여 각각의 펌프 정보를 입력해야 하는 단점이 있다.

등록특허공보 10-1341476, 공개특허공보 10-2014-0090848

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부 되던 센서의 구성을 없애고, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 펌프의 운전 속도를 가변하여 필요한 유량만큼 토출되도록 펌프를 자동 제어함으로써 사용 전력을 크게 절감할 수 있도록 한 압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터를 제공하는 것에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사용자가 펌프를 구동하기 원하는 양정 및 유량지점에서 측정된 주파수에 따른 소비전력이 기록된 펌프 운전 기준 데이터; 상기 펌프 운전 기준 데이터를 기준으로 구동부에서 출력되는 펌프의 축동력을 입력 받아 축동력에 따른 펌프의 회전속도인 회전주파수를 결정하는 운전 RPM 추정부; 구동부의 출력을 피드백 받아 펌프의 운전 속도를 추정하는 RPM 판단부; 상기 운전 RPM 추정부의 출력과 RPM 판단부의 오차에 따라 상기 펌프의 운전 RPM을 결정하는 PID제어부; 상기 PID제어부의 출력을 입력 받아 상기 펌프를 구동하는 구동부를 포함한다.

또한 본 발명에 따르자면 상기 운전 RPM 추정부의 운전 주파수 판단 알고리즘은 사용자가 운전하기 원하는 양정 기준으로 운전될 때, 펌프의 체절 점과 최대 부하지점 사이의 n개 지점으로 운전하는 펌프의 부하지점을 사용자 조작에 의해 입력 받아 펌프의 부하(축동력)을 기준으로 펌프의 회전속도인 운전주파수를 설정하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명은 인버터를 적용한 펌프 모터의 구동제어에 있어서 종래 배관에 취부되던 센서의 구성을 없애고, 압력센서에 의한 펌프 운전 불가능상태를 사전에 예방할 수 있으며, 압력 예측 알고리즘을 적용하여 펌프의 속도를 가변하고 필요한 유량만큼 토출되도록 펌프를 자동 제어함으로써 전력을 크게 절감할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 종래 센서가 있는 펌프 구동용 인버터의 블록도,
도 2는 종래 센서가 있는 인버터 펌프 운전방식의 개념도,
도 3은 종래 바이패스 밸브 운전시 펌프 특성곡선,
도 4는 본 발명에 따른 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터의 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 센서가 없는 펌프 운전방식의 개념도,
도 6은 본 발명에 따른 펌프 운전 기준데이터 특성곡선
도 7은 본 발명에 따른 펌프 운전 기준데이터 동작 순서도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터의 블록도이다. 도시된 바와 같이 센서가 없는 인버터를 이용한 펌프 구동시스템은 사용자가 펌프를 구동하기 원하는 지점에서 측정된 주파수에 따른 소비전력이 기록된 펌프 운전 기준 데이터(100)와, 이 펌프 운전 기준 데이터(100)를 기준으로 구동부(130)에서 출력되는 펌프의 축동력을 입력 받아 축동력에 따른 펌프의 회전속도인 회전주파수를 결정하는 운전 RPM 추정부(110)와, 이 운전 RPM 추정부(110)의 출력과 RPM 판단부(140)의 오차에 따라 상기 펌프의 운전 RPM을 결정하는 PID 제어부(120)와, 이 PID제어부(120)의 출력을 입력 받아 상기 펌프를 구동하는 구동부(130)와, 이구동부(130)의 출력을 피드백 받아 펌프의 운전 속도를 추정하는 RPM 판단부(140)를 포함한다.

상기 운전 RPM 추정부(110)는 구동부(130)에서 피드백되는 펌프의 축동력을 입력 받아 축동력에 해당 하는 펌프의 운전 주파수를 펌프 운전 기준 데이터(100)에서 검색하여 출력한다.

펌프가 60Hz로 운전할 때의 토출 유량 변화에 따른 토출 양정의 변화는 도 5의 60Hz 펌프 성능 곡선과 같다. 이때 사용자가 설정한 유량 및 양정에서 운전할 때 펌프의 축동력은 P1과 같다. 사용자의 물 사용량 감소하면 이에 따라 토출 유량이 감소하고 펌프의 축동력이 P1에서 P2으로, 토출 양정이 H1에서 H2로 이동한다. 이 때 토출 양정 H2는 사용자의 요구 양정을 초과 하는 운전점이다. 따라서 사용자의 요구 양정을 일정하게 유지하기 위해 펌프의 운전 주파수를 감소 시켜야 하며, 이 때 펌프의 축 동력이 P2에서 P3가 될수 있도록 펌프의 운전 주파수를 감소 시킬 때 펌프의 토출 양정이 H2에서 H3로 변화한다.

상기 실시 예에 따라 상기 펌프가 물 사용량 변화에 따른 센서 없이 일정한 토출 양정을 유지하기 위해 유량 구간에 따른 사용자의 토출 양정을 만족할 수 있는 펌프의 회전주파수에 대한 소비전력을 시험을 통해 획득할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시 예의 토출 유량 변화는 사용자의 요구 양정을 만족하기 위한 상기 펌프의 운전 주파수에 축동력은 도 7을 참조하여 설명한다.

도시된 바와 같이, 유량이 0인 지점에 대해 사용자의 요구 양정을 만족하는 펌프의 운전속도와 소비전력을 얻기 위해 토출 배관의 밸브를 차단하고 구동부를 통해 펌프를 운전시킨다.

이 때, 사용자는 배관에 설치된 압력계를 확인하며 펌프의 토출 양정이 운전 양정보다 낮은 경우 펌프 운전 주파수를 증가 시키고, 펌프의 토출 양정이 운전 양정보다 높은 경우 펌프 운전 주파수를 감소 시키며, 토출 양정이 운전 양정을 만족할 때 해당 운전 주파수와 소비전력을 기록한다.

그 후, 토출 배관의 밸브를 조작하여 임의의 유량구간에 대해 상기 단계를 수행하여 임의의 유량 구간에 대한 펌프의 운전 주파수와 소비전력을 기록하고, 계속하여 토출 배관을 개방하였을 때 사용자의 토출 양정을 만족할 수 있는 펌프의 운전 주파수와 이에 따른 소비전력을 기록한다.

그 후, 측정된 사용자 요구 양정을 만족하는 펌프의 소비전력에 대한 운전 주파수를 인버터의 내부에 저장되며 시험을 종료 한다.

상기 단계에 의해 측정된 펌프의 소비전력에 대한 운전주파수의 실시 예는 도 6과 같다.

따라서, 사용자가 요구하는 양정을 만족하는 각 주파수 별 펌프의 축동력을 측정하고 구동부(130)에서 피드백되는 펌프의 축동력에 따라 상기 펌프의 회전속도인 회전주파수를 가변하면 토출 양정이 사용자가 요구하는 운전점에 대해 일정하게 운전될 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 있어서의 압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터는 도 1에서와 같이 종래 센서가 있는 펌프 구동용 인버터 방식을 개선한 것으로, 냉온수 순환펌프(50)의 토출구 측에 압력센서(70)를 설치하고 펌프의 토출 압력을 검출하는 방식이 아닌 압력센서를 제거하고 제어부를 통해 압력 예측 알고리즘을 적용하여 냉온수 순환펌프(150)를 구동시킬 수 있는 것이다.

100: 펌프운전 기준 데이터
110: 운전 RPM 추정부
120: PID 제어부
130: 구동부
140: RPM 판단부
150: 순환펌프

Claims (3)

1. 구동부(130)에서 피드백 되는 축동력을 입력 받아 펌프 운전 기준 데이터(100)에서 검색하여 운전 속도를 추정하는 운전 RPM 추정부(110);
   운전 RPM 추정부(110)과 RPM 판단부(140)을 비교하여 펌프의 회전속도 지령을 출력하는 PID 제어부(120);
   PID 제어부(120)의 출력을 입력 받아 순환펌프(150)을 구동하고 펌프의 축동력을 출력하는 구동부(130);
   구동부(130)의 출력을 피드백 받아 순환펌프(150)의 운전속도를 추정하는 RPM 판단부(140)로 구성되며,
   상기 운전 RPM 추정부(110)에 의해 추정된 운전 속도 지령을 상기 PID 제어부(120)로 제공하여 순환펌프(150)가 설정된 양정으로 토출되도록 하는 것을 특징으로 하는 압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 운전 RPM 추정부(110)의 운전 RPM 추정 알고리즘은 펌프의 축동력을 기준으로 펌프운전 기준 데이터(100)에 따라 사용자가 설정한 토출 유량에 대해 펌프의 회전속도를 가변시키는 압력 센서리스 알고리즘을 적용한 펌프용 인버터.
3. 삭제

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