KR102278489B1 - 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수위변화에 따른 반복적인 On/Off 현상을 방지하기 위해 펌프의 운전상태를 상황에 맞게 자동제어되도록 구성하여, 펌프의 가동부하를 최소화하고 진동 및 소음을 줄여 펌프의 고장을 방지하고자 한 기술에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 개폐 가능하게 설치되는 수문과, 상기 수문에 설치되어 수문이 닫힌 상태에서 상류의 유체를 하류방향으로 강제 이송하는 펌프와, 상기 수문의 일측에 설치되어 펌프의 유입 수위를 측정하는 수위감지부와, 상기 수위감지부의 측정값에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드로 구분하여 각각 다른 출력으로 펌프의 모터를 자동제어하는 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템{Pump gate system with mode operation function}

본 발명은 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수위변화에 따른 반복적인 On/Off 현상을 방지하기 위해 펌프의 운전상태를 상황에 맞게 자동제어되도록 구성하여, 펌프의 가동부하를 최소화하고 진동 및 소음을 줄여 펌프의 고장을 방지하고자 한 기술에 관한 것이다.

일반적으로 펌프 게이트는 펌프와 수문이 일체화된 구성으로서, 상하수도, 도시하수처리장, 정수처리장, 농업용 관개수로 및 기타 하천과 접하는 관개 용수로나, 기타 배수구 등에 설치되어 비상시 수문이 닫힌 상태에서도 강제배수가 이루어질 수 있도록 한 것이다.

그러나 펌프 게이트에 설치된 펌프의 경우, 기존의 수중펌프와 다르게 항시 물에 잠겨있는 상태가 아니다. 따라서, 게이트에 설치된 펌프는 적절한 흡입수위가 되지 않으면 자동으로 Off 되며 다시 흡입수위에 도달하였을 경우에 On 상태가 되는 것이다.

이와 같이 On/Off가 반복적으로 이루어지는 조건에서 가동되는 펌프의 경우, 펌프 작동시 회전력을 담당하는 모터의 기동전류[起動電流]가 정격전류[定格電流]의 약 3배 높은 전류값을 나타내므로 높은 기동전류로 인해 펌프는 과열상태가 되는 문제점이 있었다. 또한 높은 기동전류 발생은 권선에 코로나 현상 및 절연체의 열화를 촉진시키는 문제를 발생시켜 고장발생의 원인이 된다.

또한 펌프 게이트의 특성상 앞 부분에 설치된 제진기에 이물질이 많이 쌓여있는 경우, 강우량의 변화가 급격하게 이루어질 경우, 지천에서 유입되는 유입수의 변화가 클 경우, 펌프 게이트에 설치된 펌프로 유입되는 유량의 변화 또한 커지게 되는 것이다.

특히, 펌프 설계점(Best Efficiency Point) 이하의 유량으로 펌프에 유입될 경우, 수두가 급격히 저하되고 그로 인해 펌프의 진동 및 소음이 발생하게 되면서 이또한 고장의 원인이 된다.

대한민국 등록특허 제10-1324671호 대한민국 등록특허 제10-1622904호 대한민국 등록특허 제10-1666318호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 펌프의 운전상태를 단순히 On/Off 형태로 국한되지 않고 상황에 따라 낮은 부하의 펌프 운전이 가능하도록 자동 제어함으로써, 펌프의 진동 및 소음을 감소시키고 전력사용량을 효율적으로 관리할 수 있도록 하면서, 펌프의 고장을 방지할 수 있는 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템을 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 개폐 가능하게 설치되는 수문과, 상기 수문에 설치되어 수문이 닫힌 상태에서 상류의 유체를 하류방향으로 강제 이송하는 펌프와, 상기 수문의 일측에 설치되어 펌프의 유입 수위를 측정하는 수위감지부와, 상기 수위감지부의 측정값에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드로 구분하여 각각 다른 출력으로 펌프의 모터를 자동제어하는 제어부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어부의 제1모드는 펌프의 모터 토크가 0%로 이루어지도록 제어하고, 제2모드는 펌프의 모터 토크가 30%로 이루어지도록 제어하고, 제3모터는 펌프의 모터 토크가 100%로 이루어지도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어부는 펌프의 플랩밸브를 개폐 정도를 제어할 수 있도록 하여, 상기 제1모드는 플랩밸브가 0%개방되도록 하고, 제2모드는 플랩밸브가 50%개방되도록 하고, 제3모드는 플랩밸브가 100% 개방되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1모드의 운전조건은 측정수위가 펌프의 토출구경(D)에 대비하여 70%(0.7D) 미만일 경우에 적용되고, 제2모드는 측정수위가 펌프의 토출구경(D)에 대비하여 70%(0.7D)이상 80%(0.8D)이하에 해당하는 경우에 적용되고, 제3모드는 측정수위가 펌프의 토출구경(D)에 대비하여 80%(0.8D)초과일 경우에 적용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째는 펌프의 On/Off에 따른 전기적 충격을 최소화할 수 있다. 즉, 펌프 On시 높은 기동전력을 유발하고 발열문제로 인해 펌프의 기계적 수명을 단축시키게 되는데, 펌프의 모터출력을 순차적으로 가동하도록 제어함으로써 열관리가 효율적으로 이루어질 수 있고, 기계적 데미지 또한 최소화할 수 있어 고장발생을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.

둘째는 유량의 급격한 변화에 신속한 대처가 가능하다. 만약, Off상태에서 수위가 급격히 상승할 경우 정상적인 출력에 도달하는 데에 걸리는 시간이 소요되기 때문에, 모터가 작동되고 있는 워밍업 상태에서 신속하게 정상운용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 시스템에서 모드운전에 따른 기준값을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 시스템에서 제진기가 적용되어 수위감지부가 제1센서, 제2센서, 제3센서로 구성되는 실시예를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 시스템에서 N개의 데이터를 샘플링하여 이동평균값을 계산한 계산식
도 5는 본 발명의 시스템에서 샘플링 주파수에 따른 모드전환 알고리즘을 나타낸 플로우차트
도 6은 본 발명의 시스템에서 샘플링 데이터 개수에 따른 모드전환 알고리즘을 나타낸 플로우차트

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 개폐 가능하게 설치되는 수문(100)과, 상기 수문(100)에 설치되어 수문(100)이 닫힌 상태에서 상류의 유체를 하류방향으로 강제 이송하는 펌프(200)와, 상기 수문(100)의 일측에 설치되어 펌프(200)의 유입 수위를 측정하는 수위감지부(300)와, 상기 수위감지부(300)의 측정값에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드로 구분하여 각각 다른 출력으로 펌프(200)의 모터를 자동제어하는 제어부(400);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 수문(100)은 통상의 펌프 게이트에 적용되는 수문(100)으로서, 권양장치와 같은 구성을 통해 개폐되는 구성이다. 본 발명에서 수문(100)의 개폐방식 및 개폐구성에 따른 설명은 생략하고자 한다.

본 발명의 펌프(200)는 수문(100)에 설치되는 구성으로서, 단일구성으로 이루어지거나 복수로 설치될 수 있다. 상기 펌프(200)는 수문(100)이 닫힌상태에서 작동되며, 상류의 유체를 하류방향으로 강제 이송하는 구성에 해당한다.

상기 수위감지부(300)는 수문(100)의 일측에 설치되어 펌프(200)로 유입되는 물의 수위를 측정하는 구성으로서, 수위감지부(300)의 설치위치는 도면에 도시한 바와 같이 수문(100)의 전방에 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제어부(400)는 상기 수위감지부(300)의 측정값에 따라서 펌프(200)의 운전모드를 제1모드, 제2모드, 제3모드로 구분하여 자동으로 제어하는 것이다. 상기 운전모드마다 펌프(200)의 모터출력을 각각 다르게 제어하는 것에 특징이 있다.

상기 제어부(400)의 운전모드에 따른 설명을 좀 더 구체적으로 하면, 제1모드는 펌프(200)의 모터 토크가 0%로 이루어지도록 제어하고, 제2모드는 펌프(200)의 모터 토크가 30%로 이루어지도록 제어하고, 제3모드는 펌프(200)의 모터 토크가 100%로 이루어지도록 제어되도록 한다.

상기 제1모드는 모터의 토크가 0%인 것으로서 펌프(200)가 Off상태인 것이다. 상기 제1모드는 유입수위가 지나치게 낮아 펌프(200)가동이 필요없는 상태를 의미한다. 그리고 제2모드는 펌프(200)의 모터 토크가 30%인 것으로서 아이들(Idle) 상태를 의미한다. 상기 제2모드의 많은 양의 공기가 물과 함께 혼합되어 유입되는 조건에 해당하는 것으로서, 유체의 토출능력을 낮게 설정한 것이다. 상기 제2모드는 유체의 토출능력은 낮은 상태이지만 펌프(200)의 모터는 지속적으로 회전하고 있는 것이다. 그리고 상기 제3모드는 배수가 전량 이루어지도록 펌프(200)토출 정격유량에 100%가 되도록 한 운전모드이다. 이때 펌프(200)의 모터는 100%의 토크에 비례하도록 전류를 출력하게 되는 것이다.

또한 상기 제어부(400)는 펌프(200)의 모터뿐만 아니라, 펌프(200)에 설치된 플랩밸브의 개폐 정도를 제어할 수 있다. 즉, 상기 제1모드는 플랩밸브가 0%개방되도록 하고, 제2모드는 플랩밸브가 50%개방되도록 하고, 제3모드는 플랩밸브가 100% 개방되도록 제어하는 것이다.

아울러, 본 발명의 제어부(400)는 수위감지부(300)의 측정값에 따라 운전모드를 자동으로 제어하게 되는데, 그 기준값은 도 2에 도시한 바와 같이 펌프(200)의 토출구경(D)으로 산정할 수 있다.

즉, 상기 제1모드의 운전조건은 측정수위가 펌프(200)의 토출구경(D)에 대비하여 70%(0.7D) 미만일 경우에 적용되고, 제2모드는 측정수위가 펌프(200)의 토출구경(D)에 대비하여 70%(0.7D)이상 80%(0.8D)이하에 해당하는 경우에 적용되고, 제3모드는 측정수위가 펌프(200)의 토출구경(D)에 대비하여 80%(0.8D)초과일 경우에 적용될 수 있다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다. 첫째는 펌프(200)의 On/Off에 따른 전기적 충격을 최소화할 수 있다. 즉, 펌프(200) On시 높은 기동전력을 유발하고 발열문제로 인해 펌프(200)의 기계적 수명을 단축시키게 되는데, 펌프(200)의 모터출력을 순차적으로 가동하도록 제어함으로써 열관리가 효율적으로 이루어질 수 있고, 기계적 데미지 또한 최소화할 수 있어 고장발생을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.

둘째는 유량의 급격한 변화에 신속한 대처가 가능하다. 만약, Off상태에서 수위가 급격히 상승할 경우 정상적인 출력에 도달하는 데에 걸리는 시간이 소요되기 때문에, 모터가 작동되고 있는 워밍업 상태에서 신속하게 정상운용이 가능한 것이다.

본 발명의 수위감지부(300)는 도 3에 도시한 바와 같이 제진기가 설치되는 장소에 제1센서(310)와, 제2센서(320), 제3센서(330)로 구성될 수 있다. 상기 제1센서(310)는 제진기 앞쪽에 설치되는 센서이고, 제2센서(320)는 수문(100)의 앞쪽에 설치되고, 제3센서(330)는 수문(100)의 뒷쪽에 설치되는 센서이다.

상기 제2센서(320)가 앞서 설명한 제어부(400)의 운전모드 제어에 있어서 가장 중요한 구성이고, 제1센서(310)와 제3센서(330)는 수위를 비교하여 수문(100)의 개방 여부를 판단하거나 수위측정에 따른 샘플링 데이터의 연산에 함께 사용된다.

본 발명은 수위감지부(300)에서 측정되는 값의 정확도를 높이기 위해 수위감지부(300)에서 측정되는 다수의 데이터를 기반으로 제어부(400)에서 이동편균값을 산출할 수 있다. 즉, 수위감지부(300)에서 측정되는 N개의 데이터에 대한 평균값을 연상하고 이전 데이터에 비중을 많이 둘 것인지 최근 데이터에 비중을 많이 둘 것인지 가중치 값(σ)에 의해 결정된다. 상기 이동평균값을 연산하는 식은 도 4에 도시한 바와 같다. 여기서 Hn은 현재 데이터를 나타낸 것이고, σ는 0~1 범위의 상수로 적용된다.

그리고 흡입수위의 변화가 매우 심한경우에는 그에 맞는 신속한 모드전환이 요구된다. 그러나 N개의 데이터를 활용한 이동평균값을 이용하여 모드전환이 이루어질 때, N개의 데이터를 읽는데에 시간이 많이 소요될 경우, 모드전환 속도는 늦어질 수밖에 없다. 따라서, 빠른 모드전환을 위해 샘플링 주파수를 증가시킬 수 있다. 반대로 흡입수위의 변화가 거의 없는 경우, 빠른 모드전환이 필요없으므로 샘플링주파수를 감소시켜 데이터를 읽어오는 속도를 느리게 하거나 샘플링 데이터의 개수를 증가시켜 모드변화가 천천히 이루어지게 한다.

도 5는 이러한 샘플링 주파수에 따른 모드전환 알고리즘을 나타낸 것이고, 도 6은 샘플링 데이터 개수에 따른 모드전환 알고리즘을 각각 나타낸 것이다. 상기 알고리즘에서 H1, H2, H3 는 각각 제1센서(310), 제2센서(320), 제3센서(330)를 나타낸 것이고 V_H1 은 H1의 수위변화 속도, H_2L 은Low level 모드 설정 기준 수위, H_2M 은 Middle level 모드 설정 기준 수위, H_2H 은 High level 모드 설정 기준 수위, N은 sampling data 개수를 의미한다.

상기와 같은 알고리즘을 통해 흡입수위의 변화량에 맞게 모드전환의 속도를 효율적으로 제어할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

100 : 수문
200 : 펌프
300 : 수위감지부
310 : 제1센서
320 : 제2센서
330 : 제3센서
400 : 제어부

Claims (4)

1. 개폐 가능하게 설치되는 수문(100)과, 상기 수문(100)에 설치되어 수문(100)이 닫힌 상태에서 상류의 유체를 하류방향으로 강제 이송하는 펌프(200)와, 상기 수문(100)의 일측에 설치되어 펌프(200)의 유입 수위를 측정하는 수위감지부(300)와, 상기 수위감지부(300)의 측정값에 따라 제1모드, 제2모드, 제3모드로 구분하여 각각 다른 출력으로 펌프(200)의 모터를 자동제어하는 제어부(400);로 구성되며,
   상기 제어부(400)의 제1모드는 펌프(200)의 모터 토크가 0%로 이루어지도록 제어하고, 제2모드는 펌프(200)의 모터 토크가 30%로 이루어지도록 제어하고, 제3모드는 펌프(200)의 모터 토크가 100%로 이루어지도록 제어되며,
   상기 제어부(400)는 펌프(200)의 플랩밸브 개폐 정도를 제어할 수 있도록 하여, 상기 제1모드는 플랩밸브가 0%개방되도록 하고, 제2모드는 플랩밸브가 50%개방되도록 하고, 제3모드는 플랩밸브가 100% 개방되도록 하며,
   상기 제1모드의 운전조건은 측정수위가 펌프(200)의 토출구경(D)에 대비하여 70%(0.7D) 미만일 경우에 적용되고, 제2모드는 측정수위가 펌프(200)의 토출구경(D)에 대비하여 70%(0.7D)이상 80%(0.8D)이하에 해당하는 경우에 적용되고, 제3모드는 측정수위가 펌프(200)의 토출구경(D)에 대비하여 80%(0.8D)초과일 경우에 적용되는 것을 특징으로 하는 모드운전 기능이 구비된 펌프 게이트 시스템
   
   
   
   
   
   
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