KR102339859B1 - 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기 - Google Patents

리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기 Download PDF

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Abstract

개시된 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기는, 회전하는 보올, 보올의 내부에서 회전하는 스크롤, 보올을 회전시키는 동력을 제공하는 주동 모터, 스크롤의 회전속도를 제어하기 위한 동력을 제공하는 차속 제어 모터, 및 보올, 차속 제어 모터, 및 스크롤과 기계적으로 연결되어, 보올의 회전속도와 차속 제어 모터의 샤프트의 회전속도에 따라 스크롤의 회전속도를 결정하는 기어 박스를 구비한다. 보올 내부로 슬러지가 공급되는 동안에, 주동 모터에는 전기 에너지가 공급되는 전기 공급 구간 및 전기 에너지의 공급이 차단되는 전기 차단 구간이 교번하여 존재하도록 전기 에너지가 공급된다. 전기 공급 구간 동안에 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 전압의 크기는 일정하고, 전기 에너지의 주파수의 크기는 단계적으로 증대된다.

Description

리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기{Decanter type centrifugal dehydrator capable of saving energy by decreasing ripple current}
본 발명은 물을 많이 포함하는 슬러지를 탈수 처리를 통해 고형화하여 배출하는 데칸터 원심분리 탈수기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운전시 에너지를 절감할 수 있는 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기에 관한 것이다.
일반적으로 산업현장과 하수처리 과정에서 평균 함수율이 75%에 달하는 슬러지가 발생하는데, 이와 같이 다량의 물을 포함한 슬러지를 그대로 매립하거나 해양에 투기하면 심각한 환경오염 문제를 야기한다. 근래에 환경오염을 방지하기 위한 노력의 일환으로 슬러지의 해양 투기가 금지되었기 때문에 산업 슬러지는 매립하거나 소각하여야 한다. 다량의 물의 포함한 슬러지는 매립지나 소각로까지 이동하기 위한 운송 비용을 크게 증대시키고 소각 처리를 곤란하게 한다. 따라서, 먼저 함수율을 낮춘 슬러지 케이크(sludge cake)로 변환하기 위하여 데칸터 원심분리 탈수기를 이용한 탈수 처리를 거치게 된다.
등록특허공보 제10-1778073호에는 보올(bowl)을 회전시키는 동력을 제공하는 주동 모터에 인가되는 전압을 간헐적으로 차단하여 운전시 소모되는 에너지를 절감하는 데칸터 원심분리 탈수기가 개시된다. 그런데, 상기 원심분리 탈수기는 주동 모터에 인가되는 전압의 크기가 0 에서 V1으로 순간적으로 상승할 때 피크(peak)의 크기가 매우 큰 리플 전류(ripple current)가 생성되어서 실제적인 에너지 절감 효과가 크지 않다는 문제가 있다.
등록특허공보 제10-1778073호
본 발명은, 보올과 스크롤을 회전시키기 위해 주동 모터와 차속 제어 모터를 구비한 데칸터 원심분리 탈수기로서, 주동 모터에 인가되는 전압으로 인한 리플 전류 생성이 방지되는 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기를 제공한다.
본 발명은, 회전하는 보올(bowl), 상기 보올의 내부에서 회전하는 스크롤(scroll), 상기 보올을 회전시키는 동력을 제공하는 주동 모터, 상기 스크롤의 회전속도를 제어하기 위한 동력을 제공하는 차속 제어 모터(differential-speed control motor), 및 상기 보올, 상기 차속 제어 모터, 및 상기 스크롤과 기계적으로 연결되어, 상기 보올의 회전속도와 상기 차속 제어 모터의 샤프트(shaft)의 회전속도에 따라 상기 스크롤의 회전속도를 결정하는 기어 박스(gear box)를 구비하고, 상기 보올 내부로 슬러지(sludge)가 공급되는 동안에, 상기 주동 모터에는 전기 에너지가 공급되는 전기 공급 구간 및 전기 에너지의 공급이 차단되는 전기 차단 구간이 교번하여 존재하도록 전기 에너지가 공급되고, 상기 전기 공급 구간 동안에 상기 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 전압의 크기는 일정하고, 상기 전기 에너지의 주파수의 크기는 단계적으로 증대되는 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기를 제공한다.
상기 전기 공급 구간의 지속 시간은 16 내지 24초이고, 상기 전기 차단 구간의 지속 시간은 4 내지 6초일 수 있다.
상기 전기 공급 구간의 지속 시간은 같은 시간 간격으로 세분되고, 이전 차례의 세분 구간에서 다음 차례의 세분 구간으로 진입할 때 주파수의 크기가 단차지게 증대될 수 있다.
상기 전기 공급 구간은 같은 시간 간격을 갖는 제1 내지 제4 세분 구간으로 세분되고, 상기 제1 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 25% 크기, 상기 제2 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 50%, 및 상기 제3 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 75%일 수 있다.
상기 전기 공급 구간은 같은 시간 간격을 갖는 제1 내지 제5 세분 구간으로 세분되고, 상기 제1 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 20% 크기, 상기 제2 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 40%, 상기 제3 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 60%, 및 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 80%일 수 있다.
상기 전기 차단 구간에서 상기 보올은 관성 회전할 수 있다.
본 발명의 에너지 절감형 원심분리 탈수기는, 상기 주동 모터에 전력을 공급하는 주동 모터 인버터(inverter), 상기 차속 제어 모터에 전력을 공급하는 차속 제어 모터 인버터, 및 상기 주동 모터 인버터 및 상기 차속 제어 모터 인버터를 제어하여 상기 보올의 회전속도 및 상기 스크롤의 회전속도를 제어하는 콘트롤러(controller)를 더 구비하고, 상기 콘트롤러가 상기 주동 모터 인버터를 제어하여 상기 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 전압과 주파수, 상기 전기 공급 구간의 지속 시간, 및 상기 전기 차단 구간의 지속 시간을 제어할 수 있다.
본 발명의 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기는, 상기 주동 모터의 샤프트의 회전속도를 측정하는 주동 모터 엔코더(encoder)를 더 구비하고, 상기 콘트롤러는, 상기 전기 차단 구간 동안에 상기 주동 모터 엔코더의 측정값을 통해 산출된 상기 보올의 회전속도가 미리 설정한 하한 속도에 도달하면, 상기 전기 차단 구간에서 상기 전기 공급 구간으로 전환되도록 상기 주동 모터 인버터를 제어할 수 있다.
본 발명의 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기는, 상기 주동 모터의 샤프트의 회전속도를 측정하는 주동 모터 엔코더, 및 상기 스크롤의 회전속도를 측정하는 스크롤 엔코더를 더 구비하고, 상기 보올 내부로 슬러지(sludge)가 공급되는 동안에, 상기 콘트롤러는, 상기 주동 모터 엔코더의 측정값 및 상기 스크롤 엔코더의 측정값을 통해 산출된 상기 보올의 회전속도와 상기 스크롤의 회전 속도 간의 차이가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나지 않도록, 피드백(feedback) 제어 방식으로 상기 차속 제어 모터 인버터를 제어할 수 있다.
상기 허용 범위는 5 내지 50 rpm에 속하고, 상기 스크롤의 회전속도가 상기 보올의 회전속도보다 작을 수 있다.
본 발명에 의하면, 슬러지 탈수 기능은 그대로 유지하면서도 주동 모터에 공급되는 전기 에너지를 간헐적으로 차단하여 전기 에너지 소모, 및 그로 인한 운전 비용을 절감할 수 있다. 이에 더하여, 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 주파수 크기를 단계적으로 증대시킴으로써 전기 차단 구간에서 전기 공급 구간으로 전환될 때 리플 전류(ripple current)가 생성되지 않는다. 따라서, 전기 에너지 절감 효과가 더욱 향상되고, 주동 모터 및 이를 구비한 데칸터 원심분리 탈수기의 내구성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 시간에 따른 주파수의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1의 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 시간에 따른 전류의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 보올과 스크롤의 회전속도를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기의 구성도이고, 도 2는 도 1의 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 시간에 따른 주파수의 크기를 나타낸 그래프이고, 도 3은 도 1의 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 시간에 따른 전류의 크기를 나타낸 그래프이며, 도 4는 도 1의 보올과 스크롤의 회전속도를 나타낸 그래프이다. 도 1을 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기(10)는 회전하는 보올(bowl)(12)과, 상기 보올(12)의 내부에서 회전하는 스크롤(scroll)(17)과, 상기 스크롤(17) 내부로 함수율이 높은 슬러지(sludge)를 공급하는 피드 파이프(feed pipe)(11)와, 보올(12)을 회전시키는 동력을 제공하는 주동 모터(21)와, 스크롤(17)의 회전속도를 제어하기 위한 동력을 제공하는 차속 제어 모터(differential-speed control motor)(26)와, 보올(12), 차속 제어 모터(26), 및 스크롤(17)과 기계적으로 연결되어, 상기 보올(12)의 회전속도와 상기 차속 제어 모터(26)의 샤프트(shaft)(27)의 회전속도에 따라 상기 스크롤(17)의 회전속도를 결정하는 기어 박스(gear box)(31)를 구비한다.
보올(12)은 수평 방향으로 파이프(pipe) 형태로 연장된 부재로서, 보올(12)의 일 측 말단에 풀리(pulley)(25)가 결합되고, 주동 모터(21)의 샤프트(22)에도 풀리(23)가 결합되며, 상기 한 쌍의 풀리(23, 25)가 타이밍 벨트(timing belt)(24)에 의해 감겨 연결된다. 이에 따라, 상기 주동 모터(21)의 회전 동력에 의해 보올(12)이 회전한다. 상기 보올(12)의 회전속도는 상기 주동 모터 샤프트(22)의 회전속도에 의해 결정된다.
스크롤(17)은 보올(12) 내부에서 수평 방향으로 연장되는 부재로서, 속이 빈 중앙 파이프와 상기 중앙 파이프의 외주면에 설치된 스크류 블레이드(screw blade)(18)를 구비한다. 피드 파이프(11)의 말단은 상기 스크롤(17)의 중앙 파이프의 내부까지 삽입된다.
기어 박스(31)의 일 측은 보올(12)의 타 측과 연결된다. 기어 박스(31)의 타 측에는 풀리(30)가 결합되고, 차속 제어 모터(26)의 샤프트(27)에도 풀리(28)가 결합되며, 상기 한 쌍의 풀리(28, 30)가 타이밍 벨트(29)에 의해 감겨 연결된다. 이에 따라, 상기 차속 제어 모터(26)의 회전 동력이 기어 박스(31)에 전달된다. 기어 박스(31)의 출력측 샤프트(31a)는 스크롤(17)에 연결된다. 이에 따라, 보올(12)의 회전속도와 차속 제어 모터 샤프트(27)의 회전속도와, 기어 박스(31) 내부의 기어비(gear ratio)에 의해 상기 출력측 샤프트(31a) 및 스크롤(17)의 회전속도가 결정된다.
보올(12)과 스크롤(17)이 회전할 때 피드 파이프(11)를 통해 함수율(含水率)이 높은 슬러지가 스크롤(17)의 내부 공간으로 유입되면, 스크롤(17)의 회전 원심력에 의해 상기 슬러지는 슬러지 유출구(19)를 통해 보올(12)의 내부 공간으로 유출된다. 상기 슬러지 유출구(19)를 통해 유출된 슬러지에 보올(12)의 회전 원심력이 작용하므로, 밀도 차이에 의해 상기 슬러지에 포함된 물(H2O)이 탈수 분리된다.
스크롤(17)의 회전하는 스크류 블레이드(18)에 밀려 상기 탈수된 슬러지는 계속적으로 탈수가 진행되면서 보올(12)의 일 측으로 이송되어 슬러지 배출구(14)를 통해 보올(12) 외부로 배출된다. 슬러지에서 탈수된 물은 보올(12)의 타 측으로 이동하여 배출된다.
데칸터 원심분리 탈수기(10)는 주동 모터(21)에 전력을 공급하는 주동 모터 인버터(inverter)(40)와, 차속 제어 모터(26)에 전력을 공급하는 차속 제어 모터 인버터(42)와, 주동 모터(21)의 샤프트(22)의 회전속도를 측정하는 주동 모터 엔코더(encoder)(32)와, 스크롤(17)의 회전속도, 즉 기어 박스(31)의 출력측 샤프트(31a)의 회전속도를 측정하는 스크롤 엔코더(33)와, 주동 모터 인버터(40) 및 차속 제어 모터 인버터(42)를 제어하여 보올(12)의 회전속도 및 스크롤(17)의 회전속도를 제어하는 콘트롤러(55)를 더 구비한다. 상기 콘트롤러(55)는 PLC(programmable logic controller)일 수 있다.
주동 모터 인버터(40)와 차속 제어 모터 인버터(42)는 3상 교류 전원(5)에 연결된다. 주동 모터 인버터(40)로부터 주동 모터(21)로 교류 전력이 공급되고, 차속 제어 모터 인버터(42)로부터 차속 제어 모터(26)로 교류 전력이 공급된다.
주동 모터 엔코더(32)에서 측정된 주동 모터 샤프트(22)의 회전속도 측정값은 콘트롤러(55)로 송신되고, 콘트롤러(55)는 이 측정값으로부터 보올(12)의 회전속도를 산출한다. 스크롤 엔코더(33)에서는 직접 스크롤(17)의 회전속도가 측정되고, 이 회전속도 측정값은 콘트롤러(55)로 송신된다. 한편, 도 1에 도시된 바와 달리 본 발명의 다른 실시예에 따른 데칸터 원심분리 탈수기는 스크롤 엔코더 대신에 차속 제어 모터 샤프트의 회전속도를 측정하는 차속 제어 모터 엔코더를 구비할 수도 있다. 이 경우, 차속 제어 모터 샤프트의 회전속도 측정값이 콘트롤러에 송신되고, 콘트롤러는 주동 모터 샤프트의 회전속도 측정값과 차속 제어 모터 샤프트의 회전속도 측정값으로부터 스크롤(17)의 회전속도를 산출한다.
도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 보올(12) 내부로 슬러지가 공급되는 동안, 즉 피드 파이프(11)를 통해 슬러지가 스크롤(17) 내부 공간으로 공급되는 동안에, 주동 모터(21)에는 전기 에너지가 공급되는 전기 공급 구간(ONS), 및 전기 에너지의 공급이 차단되는 전기 차단 구간(OFS)이 교번하여 존재하도록 전기 에너지가 공급된다. 도 2 내지 도 4에서 전기 공급 구간(ONS)은 시간 T0 ~ T1 사이의 구간 및 시간 T2 ~ T3 사이의 구간이고, 전기 차단 구간(OFS)은 시간 T1 ~ T2 사이의 구간 및 시간 T3 ~ T4 사이의 구간이다. 전기 공급 구간(ONS)에서 주동 모터(21)에 공급되는 전기 에너지의 전압의 크기는 예컨대, 0보다 큰 V1으로 일정하고, 상기 전기 에너지의 주파수의 크기는 단계적으로 증대된다. 콘트롤러(55)는 상기 주동 모터 인버터(40)를 제어하여 주동 모터(21)에 공급되는 전기 에너지의 전압과 주파수, 상기 전기 공급 구간(ONS)의 지속 시간, 및 상기 전기 차단 구간(OFS)의 지속 시간을 제어한다.
상기 전기 차단 구간(OFS) 동안에는 주동 모터(21)로 공급되는 전기 에너지가 없으므로 종래에 전기 차단 구간(OFS) 없이 계속 일정한 크기의 전압과 주파수로 전기 에너지를 공급하는 종래의 데칸터 원심분리 탈수기에 비해 전기 에너지가 절감된다. 상기 전기 차단 구간(OFS)에서도 보올(12)은 계속 관성 회전한다.
전기 공급 구간(ONS)의 지속 시간은 동일한 시간 간격으로 세분되고, 이전 차례의 세분 구간에서 다음 차례의 세분 구간으로 진입할 때 주파수의 크기가 단차지게 증대될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 전기 공급 구간(ONS)은 동일한 시간 간격을 갖는 제1 내지 제5 세분 구간으로 세분될 수 있다. 구체적으로, 제1 세분 구간은 시간 T0 ~ T01 사이 및 T2 ~ T21 사이의 구간이고, 제2 세분 구간은 시간 T01 ~ T02 사이 및 T21 ~ T22 사이의 구간이고, 제3 세분 구간은 시간 T02 ~ T03 사이 및 T22 ~ T23 사이의 구간이고, 제4 세분 구간은 시간 T03 ~ T04 사이 및 T23 ~ T24 사이의 구간이며, 제5 세분 구간은 시간 T04 ~ T1 사이 및 T24 ~ T3 사이의 구간이다.
제1 세분 구간(T0 ~ T01, T2 ~ T21)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(0.2FP)는, 제5 세분 구간(T04 ~ T1, T24 ~ T3)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(FP)의 20% 크기이다. 제2 세분 구간(T01 ~ T02, T21 ~ T22)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(0.4FP)는 제5 세분 구간(T04 ~ T1, T24 ~ T3)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(FP)의 40%이다. 제3 세분 구간(T02 ~ T03, T22 ~ T23)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(0.6FP)는 제5 세분 구간(T04 ~ T1, T24 ~ T3)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(FP)의 60%이다. 제4 세분 구간(T03 ~ T04, T23 ~ T24)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(0.8FP)는 제5 세분 구간(T04 ~ T1, T24 ~ T3)에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기(FP)의 80%이다.
도 2에 도시된 바와 같이 전기 공급 구간(ONS)에서 100% 크기까지 단계적으로 상승하는 주파수를 갖도록 전기 에너지를 공급하면, 주동 모터(40)에 공급되는 전기 에너지의 전류가 도 3에 도시된 바와 같이 완만하게 상승한다. 만약, 도 2에서 이점쇄선으로 도시된 바와 같이 전기 공급 구간(ONS) 동안 처음부터 끝까지 100% 크기의 주파수(FP)로 전기 에너지를 공급하면, 도 3에서 이점쇄선으로 도시된 바와 같이 전기 차단 구간(OFS)에서 전기 공급 구간(ONS)으로 전환될 때 피크(peak)(미도시)의 크기가 매우 큰 리플 전류(ripple current)가 발생한다. 이로 인해, 전기 공급 구가(ONS)과 전기 차단 구간(OFS)이 교번하여 존재하도록 전기 에너지가 공급됨에도 불구하고 실제적인 전기 에너지 절감 효과가 크지 않게 된다. 또한, 큰 리플 전류가 공급되는 주동 모터(21)와, 이를 구비한 데칸터 원심분리 탈수기(10)의 내구성도 저하될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 전기 에너지 공급 패턴과 달리, 전기 공급 구간(ONS)은 동일한 시간 간격을 갖는 제1 내지 제4 세분 구간으로 세분될 수도 있다. 이 경우에, 상기 제1 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 25% 크기이고, 상기 제2 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 50%이고, 및 상기 제3 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 75%일 수 있다. 한편, 상술한 예시 외에도 전기 공급 구간(ONS)이 세분되는 방식과, 각 세분 구간에서 주파수의 크기가 단계적으로 증대되는 방식은 다양한 변형예가 있을 수 있다.
도 4에서 보올(bowl)(12)의 회전속도가 0 rpm 으로부터 정상 운전(steady state operation)의 회전속도인 R1 rpm으로 상승할 때까지는 피드 파이프(11)를 통해 슬러지가 투입되지 않으며, 회전속도가 R1 rpm에 도달하게 되면 피드 파이프(11)를 통한 슬러지 투입이 개시된다. 예컨대, 상기 R1 rpm 은 예컨대, 1800 내지 3000 rpm 일 수 있다. 시간 T0부터 시간 T1까지 전기 공급 구간(ONS) 이후에 시간 T1에서 전기 차단 구간(OFS)이 시작되면 보올(12)이 관성에 의해 회전하나, 기어 박스(31)의 부하와 베어링(미도시)의 마찰 부하 등으로 인해 회전속도는 점차 감소하게 된다.
보올(12)의 회전속도가 과도하게 감소하게 되면 탈수 성능에 악영향을 주므로, 전기 차단 구간(OFS)의 지속 시간은 콘트롤러(55)에 의해 적절히 제한된다. 부연하면, 도 2 내지 도 4에서 상기 전기 차단 구간(OFS)의 지속 시간에 대한 상기 전기 공급 구간(ONS)의 지속 시간의 비(ratio)는, T1 ~ T2 사이 시간에 대한 T0 ~ T1 사이 시간이다. 예를 들어, 상기 정상 전압 구간 지속 시간이 20초이고, 전압 차단 구간의 지속 시간이 20초일 수 있고, 이 경우 상기 비는 1배이다.
상기 비가 1배보다 작으면, 전기 차단 구간(OFS)에서 전기 공급 구간(ONS)으로 전환된 후에 보올(12)이 충분한 회전 가속도를 회복하지 못한 상태에서 다시 전기 차단 구간(OFS)이 시작되므로 전기 차단 구간(OFS)에서 보올(12)의 회전속도가 급격히 감소하고 슬러지 탈수 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 반대로, 상기 비가 5배보다 크면 전압 차단 구간의 총 시간이 작아져서 에너지 절감 효과가 미흡할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전기 공급 구간(ONS)의 지속 시간은 16 내지 24초이고, 상기 전기 차단 구간(OFS)의 지속 시간은 4 내지 6초일 수 있다.
한편, 콘트롤러(55)는 주동 모터 엔코더(32)의 측정값에 기초하여 상기 전기 차단 구간(OFS)에서 전기 공급 구간(ONS)으로 전환되도록 주동 모터 인버터(40)를 제어할 수 있다. 구체적으로, 상술한 바와 같이 콘트롤러(55)는 주기적 반복적으로 주동 모터 엔코더(32)에서 측정된 주동 모터 샤프트(22) 회전속도 측정값을 통해 보올(12)의 회전속도를 산출한다. 상기 전기 차단 구간(OFS) 동안에 상기 산출된 보올(12)의 회전속도가 미리 정한 하한 속도에 도달하면, 콘트롤러(55)는 주동 모터(21)에 공급되는 전압이 전기 차단 구간(OFS)에서 전기 공급 구간(ONS)으로 전환되도록 주동 모터 인버터(40)를 제어한다.
도 4에서 회전속도 R2가 상기 하한 속도이며, 시간 T2가 보올(12)의 회전속도가 R2가 된 시점으로서, 이 시점으로부터 다시 전기 공급 구간(ONS)이 재개된다. 여기서, 상기 하한 속도 R2는 상기 정상 전압 구간에서 정상 운전 회전속도인 R1의 85 내지 90%에 속하는 속도일 수 있다. 예를 들면, R1이 3000 rpm이라고 하면, R2는 2550 내지 2700 rpm 중에서 특정된 일 속도일 수 있다. 전기 공급 구간(ONS)이 재개되더라도 보올(12)의 회전속도가 즉시 정상 운전 회전속도인 R1으로 회복되지는 않으며, 지연 시간 경과 후에 정상 운전 회전속도 R1으로 회복된다.
보올(12) 내부로 슬러지가 공급되어 슬러지의 탈수가 진행되는 동안에 보올(12)의 회전속도와 스크롤(17)의 회전속도 간의 차이가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나지 않아야만 양호한 슬러지 탈수 성능이 유지된다. 상술한 바와 같이 콘트롤러(55)는 주기적 반복적으로 주동 모터 엔코더(32)에서 측정된 주동 모터 샤프트(22)의 회전속도 측정값을 통해 보올(12)의 회전속도를 산출하고, 상기 보올(12)의 회전속도와 스크롤 엔코더(33)에서 측정된 스크롤(17)의 회전속도 측정값을 비교하여 보올(12)의 회전속도와 스크롤(17)의 회전속도 간 차이를 산출한다. 그리고, 콘트롤러(55)는 상기 보올(12)의 회전속도와 스크롤(17)의 회전속도 간 차이가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나지 않도록, 피드백(feedback) 제어 방식으로 차속 제어 모터 인버터(42)를 제어한다.
데칸터 원심분리 탈수기(10)에서 상기 스크롤(17)의 회전속도는 상기 보올(12)의 회전속도보다 작게 유지되며, 바람직하게는, 상기 회전속도 차이의 허용 범위는 5 내지 50 rpm일 수 있다. 즉, 5 내지 50 rpm 중에서 특정된 일 회전속도일 수 있다.
도 4에서 회전속도 R3은 보올(12)이 정상 운전 회전속도 R1일 때 스크롤(17)의 정상 운전 회전속도이다. 구체적인 예로서 R1이 3000 rpm 이고 보올(12)과 스크롤(17)의 회전속도 차이의 허용 범위가 20 rpm 이라고 가정하면, 콘트롤러(55)는 주기적 반복적으로 스크롤(17)의 정상 운전 회전속도 R3를 산출하고, 상기 R3가 2980 rpm보다 크거나 작은 것으로 판단되면 상기 R3가 2980 rpm에 수렴하도록 차속 제어 모터 인버터(42)를 제어하여 차속 제어 모터(26)에 공급되는 전압 크기를 조절한다. 그러나, 상기 R3가 2980 rpm 과 같은 것으로 판단되면 콘트롤러(55)는 차속 제어 모터 인버터(42)를 통해 차속 제어 모터(26)에 공급되는 전압 크기가 그대로 유지되도록 한다.
도 4에서 회전속도 R4는 전기 차단 구간(OFS)에서 보올(12)이 하한 속도 R2일 때 스크롤(17)의 하한 속도이다. 구체적인 예로서 R1이 3000 rpm 이고 보올(12)의 하한 속도 R2가 2700 rpm 이고, 보올(12)과 스크롤(17)의 회전속도 차이의 허용 범위가 20 rpm 이라고 가정하면, 스크롤(17)의 하한 속도 R4는 2680 rpm 이다. 콘트롤러(55)는 상기 전압 차단 구간에서도 주기적 반복적으로 보올(12)의 회전속도와 스크롤(17)의 회전속도를 산출하고, 상기 보올(12)과 스크롤(17)의 회전속도의 차이가 허용 범위인 20 rpm보다 크거나 작은 것으로 판단되면 상기 허용 범위가 20 rpm에 수렴하도록 차속 제어 모터 인버터(42)를 제어하여 차속 제어 모터(26)에 공급되는 전기 에너지의 전압 크기를 조절한다. 그러나, 상기 보올(12)과 스크롤(17)의 회전속도의 차이가 20 rpm 과 같은 것으로 판단되면 콘트롤러(55)는 차속 제어 모터 인버터(42)를 통해 차속 제어 모터(26)에 공급되는 전기 에너지의 전압 크기가 그대로 유지되도록 한다.
한편, 보올(12)의 회전속도가 하한 속도 R2에 도달하여 보올(12)에 공급되는 전기 에너지가 전기 차단 구간(OFS)에서 전기 공급 구간(ONS)으로 전환되고 보올(12)의 회전속도가 정상 운전 회전속도 R1까지 점차 상승하면, 스크롤(17)의 회전속도도 하한 속도인 R4에 도달한 이후 정상 운전 회전속도 R3까지 다시 상승한다.
이상에서 설명한 데칸터 원심분리 탈수기(10)는, 슬러지 탈수 기능은 그대로 유지하면서도 주동 모터(21)에 공급되는 전기 에너지를 간헐적으로 차단하여 전기 에너지의 소모, 및 그로 인한 운전 비용을 절감할 수 있다. 이에 더하여, 주동 모터(21)에 공급되는 전기 에너지의 주파수 크기를 단계적으로 증대시킴으로써 전기 차단 구간에서 전기 공급 구간으로 전환될 때 리플 전류(ripple current)가 생성되지 않는다. 따라서, 전기 에너지의 절감 효과가 더욱 향상되고, 주동 모터(21) 및 이를 구비한 데칸터 원심분리 탈수기(10)의 내구성이 향상된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 데칸터 원심분리 탈수기 12: 보올
17: 스크롤 21: 주동 모터
26: 차속 제어 모터 31: 기어 박스
32: 주동 모터 엔코더 33: 스크롤 엔코더
40: 주동 모터 인버터 42: 차속 제어 모터 인버터

Claims (10)

  1. 회전하는 보올(bowl); 상기 보올의 내부에서 회전하는 스크롤(scroll); 상기 보올을 회전시키는 동력을 제공하는 주동 모터; 상기 스크롤의 회전속도를 제어하기 위한 동력을 제공하는 차속 제어 모터(differential-speed control motor); 및, 상기 보올, 상기 차속 제어 모터, 및 상기 스크롤과 기계적으로 연결되어, 상기 보올의 회전속도와 상기 차속 제어 모터의 샤프트(shaft)의 회전속도에 따라 상기 스크롤의 회전속도를 결정하는 기어 박스(gear box);를 구비하고,
    상기 보올 내부로 슬러지(sludge)가 공급되는 동안에, 상기 주동 모터에는 전기 에너지가 공급되는 전기 공급 구간 및 전기 에너지의 공급이 차단되는 전기 차단 구간이 교번하여 존재하도록 전기 에너지가 공급되고,
    상기 전기 공급 구간 동안에 상기 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 전압의 크기는 일정하고, 상기 전기 에너지의 주파수의 크기는 단계적으로 증대되는 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 공급 구간의 지속 시간은 16 내지 24초이고, 상기 전기 차단 구간의 지속 시간은 4 내지 6초인 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 공급 구간의 지속 시간은 같은 시간 간격으로 세분되고,
    이전 차례의 세분 구간에서 다음 차례의 세분 구간으로 진입할 때 주파수의 크기가 단차지게 증대되는 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전기 공급 구간은 같은 시간 간격을 갖는 제1 내지 제4 세분 구간으로 세분되고,
    상기 제1 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 25% 크기, 상기 제2 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 50%, 및 상기 제3 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 75%인 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 전기 공급 구간은 같은 시간 간격을 갖는 제1 내지 제5 세분 구간으로 세분되고,
    상기 제1 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 20% 크기, 상기 제2 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 40%, 상기 제3 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 60%, 및 상기 제4 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기는 상기 제5 세분 구간에서 공급되는 전기 에너지의 주파수의 크기의 80%인 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전기 차단 구간에서 상기 보올은 관성 회전하는 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기는, 상기 주동 모터에 전력을 공급하는 주동 모터 인버터(inverter); 상기 차속 제어 모터에 전력을 공급하는 차속 제어 모터 인버터; 및, 상기 주동 모터 인버터 및 상기 차속 제어 모터 인버터를 제어하여 상기 보올의 회전속도 및 상기 스크롤의 회전속도를 제어하는 콘트롤러(controller);를 더 구비하고,
    상기 콘트롤러가 상기 주동 모터 인버터를 제어하여 상기 주동 모터에 공급되는 전기 에너지의 전압과 주파수, 상기 전기 공급 구간의 지속 시간, 및 상기 전기 차단 구간의 지속 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기는, 상기 주동 모터의 샤프트의 회전속도를 측정하는 주동 모터 엔코더(encoder);를 더 구비하고,
    상기 콘트롤러는, 상기 전기 차단 구간 동안에 상기 주동 모터 엔코더의 측정값을 통해 산출된 상기 보올의 회전속도가 미리 설정한 하한 속도에 도달하면, 상기 전기 차단 구간에서 상기 전기 공급 구간으로 전환되도록 상기 주동 모터 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기는, 상기 주동 모터의 샤프트의 회전속도를 측정하는 주동 모터 엔코더; 및, 상기 스크롤의 회전속도를 측정하는 스크롤 엔코더;를 더 구비하고,
    상기 보올 내부로 슬러지(sludge)가 공급되는 동안에, 상기 콘트롤러는, 상기 주동 모터 엔코더의 측정값 및 상기 스크롤 엔코더의 측정값을 통해 산출된 상기 보올의 회전속도와 상기 스크롤의 회전 속도 간의 차이가 미리 설정된 허용 범위를 벗어나지 않도록, 피드백(feedback) 제어 방식으로 상기 차속 제어 모터 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 허용 범위는 5 내지 50 rpm에 속하고, 상기 스크롤의 회전속도가 상기 보올의 회전속도보다 작은 것을 특징으로 하는, 리플 전류 최소화를 통한 에너지 절감형 데칸터 원심분리 탈수기.
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